[논문 리뷰] The order-disorder transition in model lipid bilayers is a first-order hexatic to liquid phase transition

Shachi Katira, Kranthi K. Mandadapu외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 13.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 43인용 수 5

한 줄 요약

대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 통해 MARTINI 군속 모델을 사용하여, 이론적 지질 이중층에서의 순서-무질서 전이가 헥세틱 상에서 액체 상으로의 일阶 상전이임을 입증하였다. 순서 상은 준장거리 정렬 순서와 단거리 이동 순서를 나타내며, 이동하는 5–7개의 비정상성 쌍을 포함하고 있어, 결정 구조가 아니라 헥세틱 상임을 확인하였다. 이는 단백질 이동성과 막을 통한 힘에 영향을 미친다.

ABSTRACT

We characterize the order-disorder transition in a model lipid bilayer using molecular dynamics simulations. We find that the ordered phase is hexatic. In particular, in-plane structures possess a finite concentration of 5-7 disclination pairs that diffuse throughout the plane of the bilayer, and further, in-plane structures exhibit long-range orientational order and short-range translational order. In contrast, the disordered phase is liquid. The transition between the two phases is first order. Specifically, it exhibits hysteresis, and coexistence exhibits an interface with capillary scaling. The location of the interface and its spatial fluctuations are analyzed with a spatial field constructed from a rotational-invariant for local 6-fold orientational order. As a result of finite interfacial tension, there necessarily exist associated forces of assembly between membrane-bound solutes that pre-melt the ordered phase.

연구 동기 및 목표

• 모델 지질 이중층에서의 순서-무질서 전이 동안 순서 상의 진정한 성격을 규명하는 것—특히 이것이 결정 구조인지 헥세틱 구조인지 여부를 확인하는 것.
• 젤과 유사한 상태와 액체와 유사한 상태 사이의 상전이가 열역학적 및 구조적 서명을 분석함으로써 일계 상전이인지 규명하는 것.
• 순서 상에서의 비정상성과 정렬 순서의 역할을 조사하고, 막 단백질 정렬에 미치는 영향을 밝히는 것.
• 상전이의 일계 특성으로부터 유도된 용질 유도 전융해와 선형 장력의 기원을 탐구하는 것.
• MARTINI 군속 모델이 지질 이중층의 대규모 상 행동 및 계면 현상을 연구하는 데에 적합한지 검증하는 것.

제안 방법

• DPPC 지질 이중층을 모델링하기 위해 대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 수행하였으며, MARTINI 군속 힘장 모델을 사용하여 51,200개의 지질과 800,000개의 물분자를 사용하였다.
• 온도와 부피를 제어하는 NVT 캐노니컬 집합을 사용하였으며, 랑주아인 열역학기구와 압력 조절기를 적용하여 열역학 조건을 유지하였다.
• 가열 및 냉각 사이클을 통해 각각 평형화된 시스템을 서로 맞대어 순서 상과 무질서 상 사이에 안정된 평면계면을 구축하여 공존 상태를 탐색하였다.
• 회전 불변성 6중 정렬 순서 매개변수를 도입하여 계면을 정의하고 추적함으로써, 마치 관과 유사한 파동의 특성을 분석할 수 있도록 하였다.
• 단거리 이동 순서와 준장거리 정렬 순서를 평가하기 위해 이동 및 정렬 상관 함수를 계산하였다.
• Shewchuk의 Triangle 알고리즘을 사용하여 5-좌위 및 7-좌위 입자로 구성된 비정상성 쌍을 식별하여, 순서 상 내의 위상 결함을 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모델 지질 이중층에서의 순서-무질서 전이가 일계 상전이인가? 그리고 히스테리시스와 안정된 계면이 존재하는가?
• RQ2 순서 상은 준장거리 정렬 순서와 단거리 이동 순서를 나타내며, 이는 헥세틱 상과 일치하는가?
• RQ3 순서 상 내에서 이동하는 5–7 비정상성 쌍(5–7 비정상성 쌍)이 존재하는가? 이는 결정이 아닌 헥세틱 상임을 시사하는가?
• RQ4 상전이의 일계 특성이 막 단백질 간의 상호작용 힘, 예를 들어 전융해 및 선형 장력과 같은 막을 통한 힘에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 MARTINI 모델이 실제 지질 이중층의 상 행동과 구조적 특성을 얼마나 정확하게 재현하는가?

주요 결과

• DPPC 지질 이중층에서의 순서-무질서 전이는 히스테리시스가 관찰되고 안정된 계면이 존재함으로써 일계 상전이임이 입증되었다.
• 294 K에서의 정렬 상관 함수 G6(x)의 천천히 감쇠하는 경향은 준장거리 정렬 순서를 나타내며, 이는 헥세틱 상과 일치한다.
• 순서 상에는 유한한 농도의 이동하는 5–7 비정상성 쌍이 존재하며, 이는 헥세틱 상의 특징적인 위상 결함이다.
• 단거리 이동 순서는 관찰되었지만 장거리 이동 순서는 없었으며, 이는 결정 상의 존재를 배제한다.
• 순서 상과 무질서 상 사이의 계면은 관과 유사한 스케일링을 보이며, 상전이의 일계 성격을 확인한다.
• 상전이의 일계 성격은 용질에 의해 유도되는 전융해층과 선형 장력을 암시하며, 이는 막에 부착된 단백질 간의 힘을 매개한다.