Коллективная динамика доменных структур в жидкокристаллических липидных бислоях

Цели. Многочисленные исследования биосистем указывают на особую роль квазиодномерных (квази-ID) молекулярных структур в процессах транспорта энергии, зарядов и информации. В этой связи особый интерес представляют исследования коллективной динамики квази-ID латеральных структур в жидкокристаллических (ЖК) мембранах и возможности передачи по таким структурам локальных возбуждений. С целью исследования молекулярных механизмов направленного транспорта энергии в ЖК липидных мембранах в настоящей работе разработана модель коллективной динамики квази-ID доменных структур (ДС) в ЖК бислоях, взаимодействующих с окружающей средой.

Методы. В качестве квази-W ДС рассмотрены перколяционные ДС, формирующиеся при фазовом разделении липидных молекул в многокомпонентных мембранах. В модели выделены две взаимодействующие между собой подсистемы, различающиеся по своим структурным и динамическим свойствам: поверхность мембраны, образованная полярными группами (ПГ) липидных молекул и внутренняя гидрофильная область мембраны, сформированная ацильными цепями (АЦ) липидов. При моделировании подсистемы АЦ использован гамильтониан Гинзбурга - Ландау, учитывающий зависимость ее динамики от температуры вблизи температуры фазового перехода плавления липидов T_c.

Результаты. Анализ динамических состояний модели показал, что вблизи температур T_c в рассматриваемых квази-ID ДС могут существовать перемещающиеся с постоянной скоростью возбуждения в виде солитонов. При этом движение упругого возбуждения (кинка) вдоль ДС в области АЦ вызывает образование акустического солитона - области сжатия в подсистеме ПГ, перемещающейся согласованно с движением кинка. Область локализации солитона охватывает примерно 10 молекул и существенно зависит от параметра взаимодействия подсистем ПГ и АЦ. Движение солитона происходит с дозвуковой скоростью, которая определяется, в частности, величиной внешнего воздействия.

Выводы. В рамках разработанной модели показано, что ЖК ДС в липидных мембранах проявляют свойства активных сред, в которых может происходить формирование и перемещение локализованных упругих возбуждений в виде солитонов на макроскопических пространственных и временных масштабах. Предложенная модель молекулярного транспорта энергии вдоль квази-ID ДС может быть применена к описанию направленной передачи энергии по латеральным доменным каналам в биомембранах и кооперативного функционирования мембранных биоэнергетических и рецепторных комплексов.

1. Геннис Р. Биомембраны: молекулярная структура и функции. M.: Мир; 1997. 624 с. ISBN 5-03-002419-0

2. Zhao J., Gulan U., Horie T., et al. Advances in biological liquid crystals. Small. 2019;15(18):1900019. https://doi.org/10.1002/smll.201900019

3. Нестеров С.В., Чесноков Ю.М., Камышинский Р.А., Ягужинский Л.С., Василов Р.Г. Определение расположения и структуры АТФ-синтетазы в мембранах митохондрий сердца крыс с помощью криоэлектронной томографии. Российские нанотехнологии. 2020;15(1):93-100. https://doi.org/10.1134/S1992722320010136

4. Zhou Y., Prakash P., Liang H., Cho K.J., Gorfe A.A., Hancock J.F. Lipid-sorting specificity encoded in K-ras membrane anchor regulates signal output. Cell. 2017;168(1-2):239-251.e16. https://doi.org/10.1016/j.cell.2016.11.059

5. Marsh D. Connectivity of membrane domains. Biophys. J. 1993;64(2):299-300. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(93)81368-7

6. Vaz W.L.C. Percolation properties of two-component, two-phase phospholipid bilayers. Mol. Membr. Biol. 1995;12(1):39-43. https://doi.org/10.3109/09687689509038493

7. Griesbauer J., Wixforth A., Schneider M.F. Wave propagation in lipid monolayers. Biophy. J. 2009;97(10):2710-2716. https://doi.org/10.1016/j.bpj.2009.07.049

8. Bolterauer H., Tuszynski J.A., Sataric M.V Frohlich and Davydov regimes in the dynamics of dipolar oscillations of biological membranes. Phys. Rev. A. 1991;44(2): 1366-1381. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.44.1366

9. Collins M.A. Solitons in chemical physics. In: Advances in Chemical Physics. 2007;53:225-339. https://doi.org/10.1002/9780470142776.ch3

10. Wack D.C., Webb W.W. Synchrotron x-ray study of the modulated lamellar phase Pe in the lecithin-water system. Phys. Rev. A. 1989;40(5):2712-2730. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.40.2712

11. Davydov A.S. Solitons in Molecular Systems. Dordrecht: Springer Netherlands; 1985. 317 p. https://doi.org/10.1007/978-94-017-3025-9

12. Scott A.C. Dynamics of Davydov solitons. Phys. Rev. A. 1982;26(1):578. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.26.578

13. Lupichev L.N., Savin A.V., Kadantsev V.N. Synergetics of Molecular Systems. Springer Series in Synergetics. Springer International Publishing; 2015. https://doi.org/10.1007/978-3-319-08195-3

14. Yakushevich L.V., Savin A.V., Manevitch L.I. Nonlinear dynamics of topological solitons in DNA. Phys. Rev. E. 2002;66(1):016614. https://doi.org/10.1103/PhysRevE.66.016614

15. Каданцев В.Н., Гольцов А.Н. Коллективные возбуждения в альфа-спиральной молекуле белка. Российский технологический журнал. 2018;6(2):32-45. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2018-6-2-32-45

16. Kadantsev V.N., Goltsov A. Collective excitations in a-helical protein structures interacting with the water environment. Electromagn. Biol. Med. 2020;39(4): 419-432. https://doi.org/10.1080/15368378.2020.1826961

17. Meder D., Moreno M.J., Verkade P., Vaz W.L.C., Simons K. Phase coexistence and connectivity in the apical membrane of polarized epithelial cells. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2006;103(2):329-334. https://doi.org/10.1073/pnas.0509885103

18. Risovic D., Frka S., Kozarac Z. The structure of percolating lipid monolayers. J. Colloid Interface Sci. 2012;373(1): 116-121. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2011.12.009

19. J0rgensen K., Mouritsen O.G. Phase separation dynamics and lateral organization of two-component lipid membranes. Biophys. J. 1995;69(3):942-954. https://doi.org/10.1016/S0006-3495(95)79968-4

20. Goltsov A.N. Electromagnetic-field-induced oscillations of the lipid domain structures in the mixed membranes. Bioelectrochem. Bioenerg. 1999;48(2):311-316. https://doi.org/10.1016/S0302-4598(99)00040-9

21. Salari V., Tuszynski J., Rahnama M., Bernroider G. Plausibility of quantum coherent states in biological systems. J. Phys.: Conf. Ser. 2011;306(1):012075. https://doi.org/10.1088/1742-6596/306/1/012075

22. Shrivastava S., Schneider M.F. Evidence for twodimensional solitary sound waves in a lipid controlled interface and its implications for biological signalling. J. R. Soc. Interface. 2014;11(97):20140098. https://doi.org/10.1098/rsif.2014.0098

23. Heimburg T., Jackson A.D. On soliton propagation in biomembranes and nerves. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2005;102(28):9790-9795. https://doi.org/10.1073/pnas.0503823102

24. Lei L., Changqing S., Juelian S., Lam P.M., Yun H. Soliton propagation in liquid crystals. Phys. Rev. Lett. 1982;49(18):1335. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.49.1335

25. Shen Y., Dierking I. Dynamics of electrically driven solitons in nematic and cholesteric liquid crystals. Commun. Phys. 2020;3(1):14. https://doi.org/10.1038/s42005-020-0288-4

26. Cavallo F., De Giovanni C., Nanni P., Forni G., Lollini P.-L. 2011: the immune hallmarks of cancer. Cancer Immunol. Immunother. 2011;60(3):319-326. https://doi.org/10.1007/s00262-010-0968-0

27. Zmuidzinas J.S. Electron trapping and transport by supersonic solitons in one-dimensional systems. Phys. Rev. B. 1978;17(10):3919. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.17.3919

28. Каданцев В.Н., Гольцов А.Н., Кондаков М.А. Динамика электросолитона в термализованной молекулярной цепи. Российский технологический журнал. 2020;8(1):43-57. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2020-8-1-43-57