Experimental and theoretical studies on the stability and the rigidity of lipid membranes in different conditions
Étude expérimentale et théorique de la stabilité et la rigidité des membranes lipidiques dans différents conditions
Résumé
In this work, we quantified the rigidity of blanc EggPC liposomes and liposomes of the same type encapsulating quercetin. For this purpose, we measured the Young modulus from the force curves in the Force Spectroscopy mode of AFM Atomic Force Microscopy. In parallel, we calculated the Bending modulus k_c of the phospholipid bilayers that mimic the EggPC formulation, while using Molecular Dynamics MD. Our study was performed following a wide range of rigidity values reported in literature, up to 2 orders of magnitude, for the same lipid composition. Such discrepancies make it impossible to compare values obtained for liposomes encapsulating different compounds. Hence, we aim to establish an experimental procedure in order to obtain accurate and reproducible values of the bending rigidity. We measured the bending rigidity (in terms of Young modulus) of Egg PC liposomes using different AFM tips, and different mathematical models to interpret the data in terms of bending modulus. We found that the tip shape of the AFM probe, its cantilever force constant, and the mathematical model all affect the bending modulus values, and that the choice of the theoretical model (Shell vs. Hertz model) makes the largest differences in the interpretation of the data. In Molecular Dynamics simulations, we have used the Buckling Method, which imposes a preliminary optimization for the simulation box in all dimensions. Our study allowed to determine the optimal size for buckling simulations, reducing the computational cost while maintaining high reproducibility of the results. We then studied the variation of k_c as a function of the composition of a bilayer containing the most common phospholipids. Also, we determined the elastic moduli for a number of binary and ternary lipid mixtures, with different chain length and level of unsaturation. We found that, in the case of homogeneous mixtures, the values of the elastic moduli can be predicted from the weighted average of the moduli of the two components. While, in the case of phase-separated mixtures, the apparent bending modulus is closer to the value of the softer component. Comparison between the results measured by AFM and those calculated by MD Simulation for the bending modulus k_c, and others obtained in literature have conducted optimal experimental measurement conditions obtained in the case of the Pyramidal tip mounted on a cantilever with a force constant of 0.08 N/m and using the Shell model. Under these conditions, we treated the effect of Quercetin on EggPC membrane rigidity. The AFM observations show no effect of Quercetin on the morphology and structure of Liposomes, while the force curves indicate a decrease in the rigidity of liposomes encapsulating Quercetin. Numerical Simulations on membranes containing several Quercetin concentrations of 4, 8, 12 and 16% showed that the structural and dynamic properties of lipid membrane are affected in terms of Quercetin concentrations. As for the rigidity of the latter, numerical calculations indicated, as in the case of AFM measurements, a decrease of bending modulus in the presence of quercetin. Finally, we studied by AFM Microscopy the stability of Eggpc Liposomes and examined the organization of Lipoid E80 in four Deep Eutectic Solvents (DES), namely ChCl:U, ChCl:EG, ChCl:G, ChCl:Lev. First, we assessed the stability of preformed liposomes prepared by the ethanol injection method, previously characterized. We found that phospholipids can be dissolved in DES, and they can self-assemble leading to the formation of vesicles. On the other hand, the size of preformed liposomes decreased after their exposure to DES, probably due to osmosis. Similar results were obtained when following the effect of the incubation of preformed liposomes in aqueous solutions of DES components over time. When incubated in DES, liposomes converted into SLBs after 2 hours, and eventually re-formed vesicles 24 hours later.
Dans ce travail, nous avons mesuré la rigidité de liposomes blancs EggPC et de liposomes du même type encapsulant la quercétine. Ceci a été réalisé en mesurant le module d’Young à partir des courbes de forces en mode Force Spectroscopie de la Microscopie à Force Atomique AFM. En parallèle, nous avons calculé le module de flexion k_c des couches phospholipidiques qui imitent la formulation EggPC, tout en utilisant la Dynamique Moléculaire MD. Notre étude a été lancée suite à un large intervalle de valeurs rapportées dans la littérature au module de flexion k_c, calculées par différentes méthodes ou conditions, pour la même composition lipidique. A cet effet, nous avons mesuré la rigidité (module d’Young) des liposomes Egg PC en utilisant quatre types de sondes AFM : deux pointes de forme pyramidale et deux pointes de forme conique, chaque pointe est montée sur un levier ayant une constante de force 0,08 ou 0,32 N/m. Le traitement des courbes de forces obtenues, a été réalisé en utilisant aussi deux modèles mathématiques ; celui de Hertz ou de Shell. Les résultats ont montré que la forme de la pointe AFM, la constante de force du levier ainsi que le modèle mathématique choisi affectent la valeur mesurée de la rigidité en AFM. En Dynamique Moléculaire, nous avons utilisé la méthode de flambement, qui impose une optimisation préliminaire réalisée pour la boîte de simulation dans toutes les dimensions. Nous avons étudié ensuite la variation du module de flexion k_c en fonction de la composition d’une bicouche, contenant les phospholipides les plus courantes. Nous avons exploré la variation de kc en fonction de la composition des mélanges lipidiques : une série de mélanges contenant différentes phosphatidylcholines aussi bien que les phosphatidylcholines et le cholestérol. Nous avons constaté que dans le cas de mélanges homogènes, les valeurs de k_c peuvent être prédites à partir de la pondération moyenne des modules des deux composantes. Alors que dans le cas des mélanges à phases séparées, la rigidité apparente est plus proche de la valeur de la composante la plus molle. La comparaison entre les résultats mesurés par AFM et ceux calculés par la simulation MD pour le module d’élasticité k_c d’une part ainsi que la comparaison avec des mesures AFM de ce paramètre disponibles dans la littérature, nous a mené à des conditions expérimentales optimales de mesure. Dans ces mêmes conditions, nous avons abordé l’effet de la quercétine sur la rigidité d’une membrane. Nos observations AFM ont montré aucun effet de la quercétine sur la morphologie et la structure des liposomes mais les courbes de forces indiquent une diminution de la rigidité des vésicules contenant cette molécule. Des simulations numériques sur des membranes contenant des concentrations de quercétines respectives de 4, 8, 12 et 16% ont montré que les propriétés structurales et dynamiques de la membrane lipidique sont affectées par la présence de quercétine et varient en terme de concentration de quercétine dans la membrane. Quant à la rigidité de cette dernière, les calculs numériques ont montré comme dans le cas des mesures AFM, sa diminution relative au taux de quercétine présent dans la membrane. Dans une étape ultérieure, nous avons étudié par la microscopie AFM la stabilité des liposomes du type EggPC et examiné l’organisation des phospholipides E80 dans quatre solvants eutectiques profonds à base de ChCl (DES) et dans des solutions aqueuses de ces mêmes composants DES. Les observations AFM ont montré que les phospholipides ainsi que les liposomes peuvent être dissous dans les DES et ils peuvent s'auto-assembler conduisant à la formation de vésicules. Nous avons noté que la taille des liposomes réformés a diminué après leur exposition aux DESs. Des résultats similaires ont été obtenus en suivant l'effet de l'incubation de liposomes sphériques dans des solutions aqueuses des composants DESs au fil du temps.
Domaines
Biophysique [physics.bio-ph]| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|