[论文解读] The role of membrane viscosity in the dynamics of fluid membranes

Marino Arroyo, Antonio DeSimone+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 28, 2010

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 19被引用 15

一句话总结

本文通过连续介质力学模拟，研究了膜内禀黏度在流体囊泡弛豫动力学中的作用。结果表明，在小囊泡中膜黏度主导耗散（标度为R²），而在大囊泡中体黏度主导耗散（标度为R³），挑战了通常认为膜黏度在囊泡动力学中可忽略的假设。

ABSTRACT

Fluid membranes made out of lipid bilayers are the fundamental separation structure in eukaryotic cells. Many physiological processes rely on dramatic shape and topological changes (e.g. fusion, fission) of fluid membrane systems. Fluidity is key to the versatility and constant reorganization of lipid bilayers. Here, we study the role of the membrane intrinsic viscosity, arising from the friction of the lipid molecules as they rearrange to accommodate shape changes, in the dynamics of morphological changes of fluid vesicles. In particular, we analyze the competition between the membrane viscosity and the viscosity of the bulk fluid surrounding the vesicle as the dominant dissipative mechanism. We consider the relaxation dynamics of fluid vesicles put in an out-of-equilibrium state, but conclusions can be drawn regarding the kinetics or power consumption in regulated shape changes in the cell. On the basis of numerical calculations, we find that the dynamics arising from the membrane viscosity are qualitatively different from the dynamics arising from the bulk viscosity. When these two dissipation mechanisms are put in competition, we find that for small vesicles the membrane dissipation dominates, with a relaxation time that scales as the size of the vesicle to the power 2. For large vesicles, the bulk dissipation dominates, and the exponent in the relaxation time vs. size relation is 3.

研究动机与目标

• 理解膜内禀黏度在流体膜动力学中的作用，特别是囊泡形状弛豫过程中的作用。
• 比较膜黏度与体流体黏度在囊泡动力学中作为主要耗散机制的相对贡献。
• 确定在何种条件下膜黏度可在囊泡行为的连续介质模型中被忽略或必须保留。
• 开发并应用一种数值框架，用于模拟具有膜和体黏性耗散的有限轴对称形状变化的囊泡。

提出的方法

• 在随时间演化的曲面二维流形上，采用表面纳维-斯托克斯方程的连续介质力学公式，结合曲率弹性与不可延展性约束。
• 应用拉格朗日规范以在形状演化过程中保持膜表面的局部不可延展性。
• 对经历非平衡形状弛豫的轴对称囊泡进行数值模拟，驱动力为曲率弹性。
• 求解包含膜黏性和体黏性项的膜速度与形状演化耦合偏微分方程组。
• 在一系列囊泡尺寸范围内进行模拟，以识别主导耗散机制发生转变的临界尺度。
• 在表面的参数空间中采用类似有限元的方法，以处理形状演化带来的几何复杂性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与体流体黏度相比，膜内禀黏度如何影响流体囊泡的弛豫动力学？
• RQ2 当膜黏度占主导时，弛豫时间与囊泡尺寸的标度关系如何？
• RQ3 当体黏度占主导时，弛豫时间与囊泡尺寸的标度关系如何？
• RQ4 在何种囊泡尺寸下，主导耗散机制从膜黏度转变为体黏度？
• RQ5 在囊泡动力学的连续介质模型中，膜黏度是否可以安全忽略，还是对准确预测至关重要？

主要发现

• 对于小囊泡，膜黏度主导弛豫动力学，弛豫时间与囊泡半径的平方成正比（t ∝ R²）。
• 对于大囊泡，体流体黏度主导，弛豫时间与半径的立方成正比（t ∝ R³）。
• 膜黏度与体黏度主导区之间的过渡尺度依赖于膜黏度，而膜黏度随脂质组成和温度显著变化。
• 对于典型生理条件下的脂质膜，该过渡发生在几微米到几十微米之间，而对于液-有序相则可扩展至数百微米。
• 本研究挑战了长期以来认为在囊泡动力学模拟中可忽略膜黏度而优先考虑体黏度的假设。
• 数值模拟证实，膜黏度导致的动力学行为与体黏度有定性差异，尤其在非球形形状的弛豫过程中更为显著。