Generatsiya vtoroy garmoniki kak neinvazivnyy metod issledovaniya molekulyarnykh protsessov na poverkhnosti lipidnykh membran (miniobzor)

封面

如何引用文章

全文:

开放存取 开放存取
受限制的访问 ##reader.subscriptionAccessGranted##
受限制的访问 订阅存取

详细

Развитие и внедрение современных экспериментальных методов исследования в междисциплинарные проекты способствует решению фундаментальных задач в области молекулярной биологии и медицины. Одной из таких задач является понимание физики молекулярных взаимодействий, происходящих в узком слое ( < 1 нм) на поверхности клеточных липидных мембран (гидратная оболочка мембраны), где происходит большинство важных электрохимических взаимодействий с ионами и протеинами, трансмембранный транспорт молекул, а также эндоцитоз. Решение данной задачи требует использования неинвазивных методов, чувствительных к изменениям молекулярной структуры поверхностного слоя мембран. Цель данного миниобзора - осветить преимущества нелинейной оптической микроскопии и спектроскопии для изучения структурных и электростатических особенностей липидных мембран, описать разработанный метод визуализации гидратации липидных мембран, а также обсудить границы применимости данного метода.

作者简介

M. Eremchev

Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН

Email: maks.eremchev@gmail.com

参考

  1. Ю. С. Петронюк, Е. А. Храмцова, В. М. Левин, А. П. Бонарцев, В. В. Воинова, Г. А. Бонарцева, А. А. Мураев, Т. Ф. Асфаров, Н. А. Гусейнов, Известия Российской академии наук, Серия Физическая 84(6), 799 (2020); https://doi.org/10.31857/S0367676520060204.
  2. В. О. Компанец, С. И. Кудряшов, Э. Р. Толордава, С. Н. Шелыгина, В. В. Соколова, И. Н. Сараева, М. С. Ковалев, А. А. Ионин, С. В. Чекалин, Письма в ЖЭТФ 113(6), 365 (2021); https://doi.org/10.31857/S1234567821060021.
  3. О. В. Градов, Ю. В. Жуланов, П. Ю. Макавеев, Фотоника 14(6), 542 (2020); https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.6.542.549.
  4. E. Zavyalova, O. Ambartsumyan, G. Zhdanov, D. Gribanyov, V. Gushchin, A. Tkachuk, E.Rudakova, M. Nikiforova, N. Kuznetsova, L. Popova, B. Verdiev, A. Alatyrev, E. Burtseva, A. Ignatieva, A. Iliukhina, I. Dolzhikova, A. Arutyunyan, A. Gambaryan, V. Kukushkin, Nanomaterials 11(6), 1394 (2021); https://doi.org/10.3390/nano11061394.
  5. К. Лефорт, Р. П. О'Конор, В. Бланке, Л. Маньо, Х. Кано, В. Томбелейн, Ф. Левек, В. Кудерк, Ф. Лепру, Фотоника 14(1), 88 (2020); https://doi.org/10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.1.88.94.
  6. Ю. А. Ермаков, В. Е. Асадчиков, Ю. О. Волков, А. Д. Нуждин, Б. С. Рощин, В. Хонкимаки, А. М. Тихонов, Письма в ЖЭТФ 109(5), 340 (2019); https://doi.org/10.1134/S0370274X19050126.
  7. А. А. Мельникова, Р. А. Камышинский, А. В. Комова, А. П. Руденко, З. Б. Намсараев, Известия Российской академии наук, Серия Физическая 85(8), 1070 (2021); https://doi.org/10.31857/S0367676521080196.
  8. Т. И. Шарипов, Р. Р. Гарафутдинов, Р. З. Бахтизин, Известия Российской академии наук, Серия Физическая 84(5), 675 (2020); https://doi.org/10.31857/S0367676520050336.
  9. Д. Ю. Мартиросян, А. А. Осыченко, А. Д. Залесский, О. Т. Калинина, У. А. Точило, Ю. А. Федотов, М. С. Сырчина, В. А. Надточенко, Письма в ЖЭТФ 117(12), 876 (2023); https://doi.org/10.31857/S1234567823110125.
  10. V. B. Arakelian, D. Walther, E. Donath, Colloid Polym. Sci. 271(3), 268 (1993); https://doi.org/10.1007/BF00652367.
  11. S. McLaughlin, Annu. Rev. Biophys. Biophys. Chem. 18(1), 113 (1989); https://doi.org/10.1146/annurev.bb.18.060189.000553.
  12. S. H. White and W. Chang, Biophys. J. 36(2), 449 (1981).
  13. V. K. Miyamoto and T. E. Thompson, J. Colloid Interface Sci. 25(1), 16 (1967); https://doi.org/10.1016/0021-9797(67)90005-7.
  14. T. Baumgart, G. Hunt, E. R. Farkas, W. W. Webb, and G. W. Feigenson; Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr. 1768(9), 2182 (2007); https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2007.05.012.
  15. A. Melcrova, S. Pokorna, S. Pullanchery, M. Kohagen, P. Jurkiewicz, M. Hof, P. Jungwirth, P. S. Cremer, and L. Cwiklik, Sci. Rep. 6(1), 38035 (2016); https://doi.org/10.1038/srep38035.
  16. Y. Li, R. Lipowsky, and R. Dimova, Proc. Natl. Acad. Sci. 108(12), 4731 (2011); https://doi.org/10.1073/pnas.1015892108.
  17. A. A. Dmitriev and N. V. Surovtsev, J. Phys. Chem. B 119(51), 15613 (2015); https://doi.org/10.1021/acs.jpcb.5b07502.
  18. N. V. Surovtsev, A. A. Dmitriev, and S. A. Dzuba, Phys. Rev. E 95(3), 032412 (2017); https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.032412.
  19. J.-X. Cheng and X. S. Xie, J. Phys. Chem. B 108(3), 827 (2004); https://doi.org/10.1021/jp035693v.
  20. E. O. Potma and X. S. Xie, ChemPhysChem 6(1), 77 (2005); https://doi.org/10.1002/cphc.200400390.
  21. L. J. Johnston, Langmuir 23(11), 5886 (2007); https://doi.org/10.1021/la070108t.
  22. G. de Wit, J. S. H. Danial, P. Kukura, and M. I. Wallace, Proc. Natl. Acad. Sci. 112(40), 12299 (2015); https://doi.org/10.1073/pnas.1508483112.
  23. H. I. Petrache, S. Tristram-Nagle, K. Gawrisch, D. Harries, V. A. Parsegian, and J. F. Nagle, Biophys. J. 86(3), 1574 (2004); https://doi.org/10.1016/S0006-3495(04)74225-3.
  24. X. Chen, W. Hua, Z. Huang, and H. C. Allen, J. Am. Chem. Soc. 132(32), 11336 (2010); https://doi.org/10.1021/ja1048237.
  25. M. Sovago, E. Vartiainen, and M. Bonn, J. Chem. Phys. 131(16), 161107 (2009); https://doi.org/10.1063/1.3257600.
  26. Y. Nojima, Y. Suzuki, and S. Yamaguchi, J. Phys. Chem. C 121(4), 2173 (2017); https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09229.
  27. J. J. G. Casares, L. Camacho, M. T. Martin-Romero, and J. J. L. Cascales, ChemPhysChem 9(17), 2538 (2008); https://doi.org/10.1002/cphc.200800321.
  28. P. Garidel and A. Blume, Langmuir 15(17), 5526 91999); https://doi.org/10.1021/la990217a.
  29. H. Binder and O. Zsch¨ornig, Chem. Phys. Lipids 115(1), 39 (2002); https://doi.org/10.1016/S0009-3084(02)00005-1.
  30. U. R. Pedersen, C. Leidy, P. Westh, and G. H. Peters, Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr 1758(5), 573 (2006); https://doi.org/10.1016/j.bbamem.2006.03.035.
  31. M. Mirza, Y. Guo, K. Arnold, C. J. van Oss, and S. Ohki, J. Dispers. Sci. Technol. 19(6-7), 951 (1998); https://doi.org/10.1080/01932699808913225.
  32. R. D. Porasso and J. J. Lopez Cascales, Colloids Surf. B Biointerfaces 73(1), 42 (2009); https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2009.04.028.
  33. M. L. Valentine, A. E. Cardenas, R. Elber, and C. R. Baiz, Biophys. J. 115(8), 1541 (2018); https://doi.org/10.1016/j.bpj.2018.08.044.
  34. Y. Kozlovsky, L. V. Chernomordik, and M. M. Kozlov, Biophys. J. 83(5), 2634 (2022); https://doi.org/10.1016/S0006-3495(02)75274-0.
  35. W.-D. Zhao, E. Hamid, W. Shin, P. J. Wen, E. S. Krysto ak, S. A. Villarreal, H.-C. Chiang, B. Kachar, and L.-G. Wu, Nature 534(7608), 548 (2016); https://doi.org/10.1038/nature18598.
  36. F. Bordi, C. Cametti, and A. Motta, J. Phys. Chem. B 104(22), 5318 (2000); https://doi.org/10.1021/jp000005i.
  37. E. Deplazes, B. D. Tafalla, C. G. Cran eld, and A. Garcia, J. Phys. Chem. Lett. 11(15), 6353 (2020); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.0c01479.
  38. D. S. Peterka, H. Takahashi, and R. Yuste, Neuron 69(1), 9 (2011); https://doi.org/10.1016/j.neuron.2010.12.010.
  39. E. Bourinet, C. Altier, M. E. Hildebrand, T. Trang, M. W. Salter, and G. W. Zamponi, Physiol. Rev. 94(1), 81 (2014); https://doi.org/10.1152/physrev.00023.2013.
  40. D. Smetters, A. Majewska, and R. Yuste, Methods 18(2), 215 (1999); https://doi.org/10.1006/meth.1999.0774.
  41. K. Shirane, S. Kuriyama, and T. Tokimoto, Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr 769(3), 596 (1984); https://doi.org/10.1016/0005-2736(84)90058-0.
  42. A. Martin-Molina, C. Rodriguez-Beas, and J. Faraudo, Biophys. J. 102(9), 2095 (2012); https://doi.org/10.1016/j.bpj.2012.03.009.
  43. M. Roux and M. Bloom, Biochemistry 29(30), 7077 (1990); https://doi.org/10.1021/bi00482a019.
  44. H. Hauser and M. C. Phillips, Interactions of the Polar Groups of Phospholipid Bilayer Membranes, in Progress in Surface and Membrane Science, ed. by D. A. Cadenhead and J. F. Danielli, Elsevier, G¨ottingen, F.R.G. (1979), v. 13, p. 297.
  45. C. Newton, W. Pangborn, S. Nir, and D. Papahadjopoulos, Biochim. Biophys. Acta BBA - Biomembr 506(2), 281 (1978); https://doi.org/10.1016/0005-2736(78)90398-X.
  46. S. McLaughlin, N. Mulrine, T. Gresal, G. Vaio, and A. McLaughlin, J. Gen. Physiol. 77(4), 445 (1981); https://doi.org/10.1085/jgp.77.4.445.
  47. Z. T. Graber, Z. Shi, and T. Baumgart, Phys. Chem. Chem. Phys. 19(23), 15285 (2017); https://doi.org/10.1039/C7CP00718C.
  48. M. Simunovic, K. Y. C. Lee, and P. Bassereau, Soft Matter 11(25), 5030 (2015); https://doi.org/10.1039/C5SM00104H.
  49. B. Rozycki and R. Lipowsky, J. Chem. Phys. 142(5), 054101 (2015); https://doi.org/10.1063/1.4906149.
  50. Y.-F. Chen, K.-Y. Tsang, W.-F. Chang, and Z.-A. Fan, Soft Matter 11(20), 4041 (2015); https://doi.org/10.1039/C5SM00577A.
  51. X. Cong, M. F. Poyton, A. J. Baxter, S. Pullanchery, and P. S. Cremer, J. Am. Chem. Soc. 137(24), 7785 (2015); https://doi.org/10.1021/jacs.5b03313.
  52. E. Weichselbaum, M. Osterbauer, D. G. Knyazev, O. V. Batishchev, S. A. Akimov, T. Hai Nguyen, C. Zhang, G. Knor, N. Agmon, P. Carloni, and P. Pohl, Sci. Rep. 7(1), 4553 (2017); https://doi.org/10.1038/s41598-017-04675-9.
  53. E. Weichselbaum, T. Galimzyanov, O. V. Batishchev, S. A. Akimov, and P. Pohl, Biomolecules 13(2), 352 (2023).
  54. R. W. Boyd, Nonlinear Optics, 3rd ed., Academic Press, N.Y. (2008).
  55. O. Bouevitch, A. Lewis, I. Pinevsky, J. P. Wuskell, and L. M. Loew, Biophys. J. 65(2), 672 (1993); https://doi.org/10.1016/S0006-3495(93)81126-3.
  56. M. N. Shneider, A. A. Voronin, and A. M. Zheltikov, Phys. Rev. E 81(3), 031926 (2010); https://doi.org/10.1103/PhysRevE.81.031926.
  57. T. Pons, L. Moreaux, O. Mongin, M. Blanchard-Desce, and J. Mertz, J. Biomed. Opt. 8(3), 428 (2023); https://doi.org/10.1117/1.1581871.
  58. L. Moreaux, O. Sandre, and J. Mertz, JOSA B 17(10), 1685 (2000); https://doi.org/10.1364/JOSAB.17.001685.
  59. J. Jiang, K. B. Eisenthal, and R. Yuste, Biophys. J. 93(5), L26 (2007); https://doi.org/10.1529/biophysj.107.111021.
  60. M. A. Kriech and J. C. Conboy, J. Am. Chem. Soc. 127(9), 2834 (2005); https://doi.org/10.1021/ja0430649.
  61. T. T. Nguyen and J. C. Conboy, Anal. Chem. 83(15), 5979 (2011); https://doi.org/10.1021/ac2009614.
  62. M. Fl¨orsheimer, C. Brillert, and H. Fuchs, Langmuir 15(17), 5437 (1999); https://doi.org/10.1021/la9815603.
  63. K. A. Smith and J. C. Conboy, Anal. Chem. 84(19), 8122 (2012); https://doi.org/10.1021/ac301290e.
  64. D. Roesel, M. Eremchev, T. Sch¨onfeldova, S. Lee, and S. Roke, Appl. Phys. Lett. 120(16), 160501 (2022); https://doi.org/10.1063/5.0085807.
  65. S. Ong, X. Zhao, and K. B. Eisenthal, Chem. Phys. Lett. 191(3), 327 (1992); https://doi.org/10.1016/0009-2614(92)85309-X.
  66. K. B. Eisenthal, Chem. Rev. 96(4), 1343 (1996); https://doi.org/10.1021/cr9502211.
  67. L. B. Dreier, C. Bernhard, G. Gonella, E. H. G. Backus, and M. Bonn, J. Phys. Chem. Lett. 9(19), 5685 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.8b02093.
  68. C. Macias-Romero, M. E. P. Didier, P. Jourdain, P. Marquet, P. Magistretti, O. B. Tarun, V. Zubkovs, A. Radenovic, and S. Roke, Opt. Express 22(25), 31102 (2014); https://doi.org/10.1364/OE.22.031102.
  69. M. Eremchev, D. Roesel, P.-M. Dansette, A. Michailovas, and S. Roke, Biointerphases 18(3), 031202 (2023); https://doi.org/10.1116/6.0002640.
  70. M. Eremchev, D. Roesel, C. S. Poojari, A. Roux, J. S. Hub, and S. Roke, Biophys. J. S0006-3495(23), 00034 (2023); https://doi.org/10.1016/j.bpj.2023.01.018.
  71. O. B. Tarun, C. Hannesschl¨ager, P. Pohl, and S. Roke, Proc. Natl. Acad. Sci. 115(16), 4081 (2018); https://doi.org/10.1073/pnas.1719347115.
  72. O. B. Tarun, M. Yu. Eremchev, A. Radenovic; and S. Roke, Nano Lett. 19(11), 7608 (2019); https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.9b02024.
  73. D. Roesel, M. Eremchev, C. S. Poojari, J. S. Hub, and S. Roke, J. Am. Chem. Soc. 144(51), 23352 (2022); https://doi.org/10.1021/jacs.2c08543.
  74. O. B. Tarun, H. I. Okur, P. Rangamani, and S. Roke, Commun. Chem. 3(1), 17 (2020); https://doi.org/10.1038/s42004-020-0263-8.
  75. Gh. M. Shari an, Mol. Pharm. 18(6), 2122 (2021); https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.1c00009.
  76. И. Ю. Еремчев, Д. В. Прокопова, Н. Н. Лосевский, И. Т. Мынжасаров, С. П. Котова, А. В. Наумов, Успехи физических наук 192(6), 663 (2022).
  77. И. Ю. Еремчев, М. Ю. Еремчев, А. В. Наумов, Успехи физических наук 189(3), 312 (2019); https://doi.org/10.3367/UFNr.2018.06.038461.
  78. C. Macias-Romero, I. Nahalka, H. I. Okur, and S. Roke, Science 357(6353), 784 (2017); https://doi.org/10.1126/science.aal4346.
  79. G. Zwaschka, I. Nahalka, A. Marchioro, Y. Tong, S. Roke, and R. K. Campen, ACS Catal. 10(11), 6084 (2020); https://doi.org/10.1021/acscatal.0c01177.
  80. M. E. P. Didier, O. B. Tarun, P. Jourdain, P. Magistretti, and S. Roke, Nat.Commun. 9(1), 5287 (2018); https://doi.org/10.1038/s41467-018-07713-w.
  81. О. В. Седельникова, Л. Г. Булушева, А. В. Окотруб, Ю. В. Першин, Письма в ЖЭТФ 103(4), 269 (2016).
  82. O. B. Tarun, M. Y. Eremchev, and S. Roke, Langmuir 34(38), 11305 (2018); https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.8b01790.

版权所有 © Российская академия наук, 2023

##common.cookie##