[논문 리뷰] Inter-layer slide and stress relaxation in a bilayer fluid membrane in the patch-clamp setting

С. И. Мухин, Svetlana Baoukina|arXiv (Cornell University)|2003. 04. 30.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 패치클램프 실험에서의 MscL 채널 적응에 대한 이론적 메커니즘을 제안한다. 유동성 있는 이중층 막에서의 상층 이동은 압력에 의해 채널이 열린 후 횡방향 응력을 감소시킨다. 하부 단일층에서의 응력 완화는 열적으로 활성화된 MscL 채널의 폐쇄를 유도하며, 수소화 불일치와 열적 활성화로 인한 에너지 장벽으로 인해 약 ~1초의 적응 시간이 예측된다—이것은 실험 데이터와 일치한다.

ABSTRACT

Protein mechanosensitive channels (MS) are activated by tension transmitted through the lipid bilayer. We propose a theory of lateral stress relaxation in a bilayer lipid membrane exposed to external pressure pulse in the patch-clamp experimental setting. It is shown that transfer of lipid molecules into a strained region is thermodynamically advantageous due to local decrease of the stress. Considered stress relaxation mechanism may explain recent experimental observations (Davidson and Martinac 2003) of adaptation of MscL, bacterial mechanosensitive channel of large conductance, to sustained membrane stretch. Lateral stress relaxation in the monolayer, which controls the gating of MscL, triggers thermally activated transition of the open channels back to the closed state ("adaptation"). We evaluate the contribution of the hydrophobic mismatch between MS channel and lipid bilayer to the energy barrier separating open and closed states. Then, using the MscL thermodynamic model (Sukharev et. al, 1999), we estimate characteristic adaptation times at room temperature to be of the order of seconds, well in the range of the experimental data (Davidson and Martinac 2003). Estimated propagation time of the initial channel-opening stress over the whole membrane is 4-5 orders of magnitude shorter.

연구 동기 및 목표

• 패치클램프 조건에서 지속적인 막 확장에 대해 관측된 MscL 채널의 적응을 설명하기 위해.
• 상층 이동을 통한 횡방향 응력 완화가 MscL 채널의 개폐 역학에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• MscL과 지질 이중층 사이의 수소화 불일치가 채널 폐쇄의 에너지 장벽을 결정하는 데 미치는 역할을 정량화하기 위해.
• 압력이 일정한 조건에서 이중층 막의 자유 에너지 표면을 모델링하며, 피펫 벽에 대한 지질의 부착 에너지를 고려하기 위해.
• 응력 전파, 상층 이동, 채널 적응의 특성 시간 스케일을 추정하고 실험 관측치와 비교하기 위해.

제안 방법

• 굽힘 에너지, 횡장력, 피펫 유리 벽에 대한 부착 에너지를 포함한 이중층 막의 자유 에너지 함수를 수립한다.
• Yeung 및 Evans(1995)의 상층 이동 역학 이론을 활용하여 횡방향 응력 재분배의 시간 스케일을 추정한다.
• Sukharev 등(1999)의 MscL 열역학 모델을 적용하여 열린 상태와 닫힌 상태 사이의 에너지 장벽을 계산한다.
• 자기 일관성 수치 최소화를 통해 준평형 및 완전 평형 상태의 막 구조를 결정한다.
• 이중층 두께가 수소화 불일치 에너지에 미치는 영향과 MscL의 안정성 및 적응에 대한 영향을 평가한다.
• 이론적 적응 시간을 Davidson 및 Martinac(2003)의 실험 데이터와 비교하여 모델의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 패치클램프 실험에서 MscL 채널이 지속적인 막 확장에 어떻게 적응하는가?
• RQ2 유동성 있는 이중층 막에서의 상층 이동이 횡방향 응력 완화 및 이후 채널 폐쇄에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 이중층에서 응력 완화의 특성 시간 스케일은 무엇이며, MscL 적응의 시간 스케일과 비교해보면 어떻게 되는가?
• RQ4 MscL과 지질 이중층 사이의 수소화 불일치가 채널 폐쇄의 에너지 장벽에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 지질이 피펫 벽에 부착될 경우 막의 평형 구조와 응력 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이중층 막에서의 상층 이동은 열역학적으로 유리하며, 압력가해 직후 약 0.01–0.1초 내로 횡방향 응력 완화를 초래한다.
• MscL 적응의 특성 시간은 약 ~1초로 추정되며, Davidson 및 Martinac(2003)의 실험 관측치와 일치한다.
• MscL과 이중층 사이의 수소화 불일치 에너지는 약 2–20 kBT₀로 추정되며, 채널 폐쇄의 에너지 장벽에 크게 기여한다.
• 피펫에 부착되지 않은 하부 단일층에서의 응력 완화는 MscL이 열린 상태에서 닫힌 상태로 이동하는 열적으로 활성화된 전이를 유도한다.
• 막을 가로질러 초기 응력 전파의 시간 스케일은 약 10−5에서 10−4초이며, 이는 적응 시간보다 훨씬 빠르다.
• 모델은 얇은 이중층(예: PC-18)에서는 적응이 없고, 두꺼운 이중층(예: PC-20)에서는 적응이 존재한다고 예측하며, 이는 실험 데이터와 일치한다.