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Curvature-driven feedback on aggregation–diffusion of proteins in lipid bilayers
Soft Matter ( IF 2.9 ) Pub Date : 2021-08-23 , DOI: 10.1039/d1sm00502b Arijit Mahapatra 1 , David Saintillan 1 , Padmini Rangamani 1
Soft Matter ( IF 2.9 ) Pub Date : 2021-08-23 , DOI: 10.1039/d1sm00502b Arijit Mahapatra 1 , David Saintillan 1 , Padmini Rangamani 1
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Membrane bending is an extensively studied problem from both modeling and experimental perspectives because of the wide implications of curvature generation in cell biology. Many of the curvature generating aspects in membranes can be attributed to interactions between proteins and membranes. These interactions include protein diffusion and formation of aggregates due to protein–protein interactions in the plane of the membrane. Recently, we developed a model that couples the in-plane flow of lipids and diffusion of proteins with the out-of-plane bending of the membrane. Building on this work, here, we focus on the role of explicit aggregation of proteins on the surface of the membrane in the presence of membrane bending and diffusion. We develop a comprehensive framework that includes lipid flow, membrane bending, the entropy of protein distribution, along with an explicit aggregation potential and derive the governing equations for the coupled system. We compare this framework to the Cahn–Hillard formalism to predict the regimes in which the proteins form patterns on the membrane. We demonstrate the utility of this model using numerical simulations to predict how aggregation and diffusion, when coupled with curvature generation, can alter the landscape of membrane–protein interactions.
中文翻译：
脂质双层中蛋白质聚集扩散的曲率驱动反馈
由于曲率生成在细胞生物学中的广泛影响，从建模和实验的角度来看，膜弯曲是一个广泛研究的问题。膜中产生曲率的许多方面可归因于蛋白质和膜之间的相互作用。这些相互作用包括蛋白质扩散和由于膜平面上蛋白质-蛋白质相互作用而形成的聚集体。最近，我们开发了一个模型，将脂质的平面内流动和蛋白质的扩散与膜的平面外弯曲耦合起来。在这项工作的基础上，我们在这里重点研究在膜弯曲和扩散存在的情况下蛋白质在膜表面上的显式聚集的作用。我们开发了一个全面的框架，包括脂质流动、膜弯曲、蛋白质分布的熵以及显式的聚集势，并推导了耦合系统的控制方程。我们将该框架与 Cahn-Hillard 形式主义进行比较，以预测蛋白质在膜上形成模式的机制。我们使用数值模拟来展示该模型的实用性，以预测聚集和扩散与曲率生成相结合如何改变膜-蛋白质相互作用的景观。
更新日期：2021-09-01
中文翻译：
脂质双层中蛋白质聚集扩散的曲率驱动反馈
由于曲率生成在细胞生物学中的广泛影响，从建模和实验的角度来看，膜弯曲是一个广泛研究的问题。膜中产生曲率的许多方面可归因于蛋白质和膜之间的相互作用。这些相互作用包括蛋白质扩散和由于膜平面上蛋白质-蛋白质相互作用而形成的聚集体。最近，我们开发了一个模型，将脂质的平面内流动和蛋白质的扩散与膜的平面外弯曲耦合起来。在这项工作的基础上，我们在这里重点研究在膜弯曲和扩散存在的情况下蛋白质在膜表面上的显式聚集的作用。我们开发了一个全面的框架，包括脂质流动、膜弯曲、蛋白质分布的熵以及显式的聚集势，并推导了耦合系统的控制方程。我们将该框架与 Cahn-Hillard 形式主义进行比较，以预测蛋白质在膜上形成模式的机制。我们使用数值模拟来展示该模型的实用性，以预测聚集和扩散与曲率生成相结合如何改变膜-蛋白质相互作用的景观。
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