[논문 리뷰] A planar lipid bilayer in an electric field: membrane instability, flow field and electrical impedance

Falko Ziebert, David Lacoste|arXiv (Cornell University)|2011. 02. 22.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 49인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 전기동역학 방정식을 기반으로 한 이론적 프레임워크를 개발하여, 평판 지질 이중층에 대한 일정전류(DC) 및 교류(AC) 전기장의 영향을 분석한다. 주로 디바이 층에서의 전하 축적, 막의 불안정성, 유도된 유동, 전기적 임피던스에 초점을 맞춘다. 선택적으로 도전성 막의 임피던스를 해석적으로 유도하여, 막의 도전성과 이온 확산이 스펙트럼 반응에 미치는 영향을 보여주며, 이온 채널을 가진 생체모방 시스템에서 임피던스 분광법을 해석하는 데 기초를 제공한다.

ABSTRACT

For many biotechnological applications it would be useful to better understand the effects produced by electric fields on lipid membranes. This review discusses several aspects of the electrostatic properties of a planar lipid membrane with its surrounding electrolyte in a normal DC or AC electric field. In the planar geometry, the analysis of electrokinetic equations can be carried out quite far, allowing to characterize analytically the steady state and the dynamics of the charge accumulation in the Debye layers, which results from the application of the electric field. For a conductive membrane in an applied DC electric field, we characterize the corrections to the elastic moduli, the appearance of a membrane undulation instability and the associated flows which are built up near the membrane. For a membrane in an applied AC electric field, we analytically derive the impedance from the underlying electrokinetic equations. We discuss different relevant effects due to the membrane conductivity or due to the bulk diffusion coefficients of the ions. Of particular interest is the case where the membrane has selective conductivity for only one type of ion. These results, and future extensions thereof, should be useful for the interpretation of impedance spectroscopy data used to characterize e.g. ion channels embedded in planar bilayers.

연구 동기 및 목표

• 외부 전기장이 평판 지질 이중층의 기계적 및 전기동역학적 성질에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• DC 및 AC 전기장 하에서 막 근처의 디바이 층에서 전하 축적을 모델링하기 위해.
• 전기동역학 방정식을 사용하여 제1원리에서 막-전해질 시스템의 전기적 임피던스를 유도하기 위해.
• 특히 저염 조건에서 막의 도전성과 이온 선택성의 영향을 임피던스 스펙트럼에 미치는 영향를 검토하기 위해.
• 생체모방 및 생물학적 막 시스템에서 실험적 임피던스 분광법 데이터를 해석하기 위한 이론적 기초를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전해질 및 막 내 이온 이동과 전위를 모델링하기 위해 포isson-Nernst-Planck(PNP) 방정식을 사용한다.
• 전기동역학 이론을 적용하여 DC 및 AC 전기장에 대한 막의 정 steady 및 동적 반응을 기술한다.
• 막과 전해질 인터페이스에서 전위를 연결하기 위해 로빈형 경계 조건을 도입한다.
• 유한 두께와 허용도를 가진 얇은 도전성 막으로 간주하여 재규격화된 탄성 모듈러스와 불안정성 분석을 가능하게 한다.
• 선형화된 전기동역학 방정식에서 임피던스를 유도하며, 부피 확산, 디바이 층, 막 저항의 기여를 포함한다.
• 이온 채널 기능에 관련된 한 종류의 이온에 대해서만 막 도전성을 모델링하여 선택적 이온 투과성을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DC 전기장에서 평판 지질 이중층에서 막의 불규칙한 변형 불안정성과 관련된 전기오스모틱 유동은 어떻게 유도되는가?
• RQ2 적용된 DC 전기장 하에서 디바이 층의 전하 축적으로 인해 지질 막의 탄성 모듈러스에 어떤 수정이 발생하는가?
• RQ3 AC 전기장에서 막의 도전성과 이온 확산 계수는 임피던스 반응에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 선택적으로 도전성이 있는 막의 임피던스 스펙트럼의 해석적 형태는 무엇이며, 부피 및 막 기여 요소는 어떻게 상호작용하는가?
• RQ5 실험적 임피던스 분광법에서 사용되는 효과적인 회로 모델은 제1원리 전기동역학 방정식에서 어떻게 도출될 수 있는가?

주요 결과

• DC 전기장 하에서 도전성 막의 경우, 디바이 층에서의 전하 축적이 재규격화된 탄성 모듈러스를 유도하며, 막의 불규칙한 변형 불안정성을 유도한다.
• 전류가 막을 통과함에 따라 전기장과 이온 이동에 의해 막 근처에서 전기오스모틱 유동이 발생한다.
• AC 전기장에서는 PNP 방정식에서 임피던스를 해석적으로 유도하여 고주파수에서는 RC 반원형 거동에서 저주파수에서는 워버그 유사한 확산 거동으로의 전이가 나타남을 보여준다.
• 임피던스 스펙트럼은 막의 도전도와 이온 확산 계수에 의해 결정되며, 선택적 이온 투과성에 특징적인 서명을 나타낸다.
• 저염 조건에서는 임피던스가 부피 저항 외에도 디바이 층 효과와 이온 운동 동역학에 의해 지배되며, 이는 단순한 부피 저항에 의해 결정되지 않는다.
• 이론적 프레임워크는 실험적 임피던스 분광법에서 사용되는 효과적인 회로 모델을 직접 유도할 수 있으며, 미세한 물리적 메커니즘과 거시적 측정 간의 연결 고리를 제공한다.