Self-assembly on a lipid membrane viewed as a first passage time problem
Self-assembly on a lipid membrane viewed as a first passage time problem
复制标题
脂质膜上的自组装被视为首次通过时间问题
DOI：
10.1016/j.jmps.2019.103787
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发表时间：
2020
影响因子：
5.3
通讯作者：
Purohit, Prashant K.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Liao, Xinyu;Purohit, Prashant K.
脂质膜形成所有生物细胞的外壳。包埋在脂质膜上的是许多蛋白质，由于其流体性质，这些蛋白质可以在其表面上扩散。蛋白质也可以通过弹性力和熵力相互作用，这些力源于膜对弯曲变形的抵抗力。这些相互作用可以是吸引的或排斥的，并且它们可能在膜表面上的蛋白质的自组装中发挥作用，以形成用于外吞和内吞以及病毒的支架。因此，关键是要详细了解这些弹性和熵力，以及它们如何影响膜表面包裹体的自组装。虽然大多数分析这些现象利用各种模拟技术，我们使用基于高斯积分的半解析方法来计算夹杂物的弹性和熵的相互作用。一旦我们确定了夹杂物之间的相互作用力，我们使用朗之万动力学来研究它们如何在这些相互作用力的影响下扩散。我们首先集中在两个夹杂物和铸造作为第一通道时间的问题，他们的自组装。我们表明，从福克-普朗克方程开始的第一次穿越时间问题的分析处理导致一个偏微分方程，可以数值求解，并给出的结果是在很好的协议与第一次穿越时间估计从朗之万动力学模拟。我们也能够解释夹杂物之间的流体动力学相互作用，并表明它们加快了自组装。最后，我们使用这些见解来研究相互作用力如何影响两个以上的夹杂物的自组装。我们的方法提供了一个不同的自组装视图，可用于开发更先进和更有效的计算技术。
Lipid membranes form the outer covering of all biological cells. Embedded on the lipid membrane are numerous proteins that can diffuse on its surface due to its fluid nature. The proteins can also interact with each other through elastic and entropic forces that have their origin in the membrane’s resistance to bending deformations. These interactions can be attractive or repulsive, and they likely play a role in self-assembly of proteins on the surface of the membrane to form scaffolds for exo- and endo-cytosis and also viruses. Thus, it is crucial to understand these elastic and entropic forces in detail and how they affect self-assembly of inclusions on the surface of membranes. Although most analyses of these phenomena utilize various simulation techniques, we use a semi-analytical method based on Gaussian integrals to compute the elastic and entropic interactions of inclusions. Once we have determined the interaction forces between inclusions, we use Langevin dynamics to study how they diffuse under the influence of these interaction forces. We focus first on two inclusions and cast their self-assembly as a first passage time problem. We show that an analytical treatment of the first passage time problem starting from a Fokker-Planck equation leads to a partial differential equation that can be solved numerically, and gives results which are in excellent agreement with the first passage time estimated from Langevin dynamics simulations. We are also able to account for hydrodynamic interactions between inclusions and show that they speed up the self-assembly. Finally, we use these insights to study how interaction forces influence the self-assembly of more than two inclusions. Our methods provide a different view of self-assembly that could be utilized for developing more advanced and efficient computational techniques.
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