Mesoscopic membrane physics: Concepts, simulations, and selected applications

Macromolecular Rapid Communications

Volumn 30, Issue 9-10, 2009, Pages 752-771

  Deserno, Markus ^a,b  

^a CARNEGIE MELLON UNIVERSITY   (United States)

^b MAX PLANCK INSTITUTE FOR POLYMER RESEARCH   (Germany)

Author keywords

Biophysics; Coarse graining; Lipid bilayer; Membranes; Simulations

Indexed keywords

ANTIMICROBIAL PEPTIDE; BIOLOGICAL PROCESS; COARSE GRAINING; EXPERIMENTAL TECHNIQUES; LENGTH SCALE; LIPID MEMBRANES; MEMBRANE ADHESION; MEMBRANE PHYSICS; MESOSCOPIC; PORE FORMATION; PROTEIN AGGREGATION; SIMULATION MODEL; SIMULATIONS; SYSTEM SIZE; ZOOM-OUT;

AMINES; BIOPHYSICS; CELL MEMBRANES; MEMBRANES;

LIPID BILAYERS;

EID: 66249104660     PISSN: 10221336     EISSN: 15213927     Source Type: Journal    
DOI: 10.1002/marc.200900090     Document Type: Article

References (141)

1. R. Phillips, J. Kondev, J. Theriot, Physical Biology of the Cell, Taylor & Francis, New York 2009.
2. L. D. Landau, E. M. Lifshitz, Theory of Elasticity, Butterworth-Heinemann, Oxford 1999.
3. E. Lindahl, O. Edholm, Biophys. J. 2000, 79, 426.
4. W. Helfrich, Z. Naturforsch. Teil C 1973, 28, 693.
5. A. Malevanets, R. Kaprál, J. Chem. Phys. 1999, 220, 8605.
6. A. Malevanets, J. M. Yeomans, Europhys. Lett. 2000, 52, 231.
7. T. Ihle, D. M. Kroll, Phys. Rev. E 2001, 6302, 020201.
8. A. Lamura, G. Gompper, T. Ihle, D. M. Kroll, Europhys. Lett. 2001, 56, 319.
9. M. Ripoll, K. Mussawisade, R. G. Winkler, G. Gompper, Europhys. Lett. 2004, 68, 106.
10. G. R. McNamara, G. Zanetti, Phys. Rev. Lett. 1988, 61, 2332.
11. A. J. C. Ladd, J. Fluid Mech. 1994, 271, 285.
12. M. R. Swift, W. R. Osbom, J. M. Yeomans, Phys. Rev. Lett. 1995, 75, 830.
13. M. R. Swift, E. Orlandini, W. R. Osbom, J. M. Yeomans, Phys. Rev. E 1996, 54, 5041.
14. A. J. C. Ladd, R. Verberg, J. Stat. Phys. 2001, 104, 1191.
15. P. J. Atzberger, P. R. Kramer, C. S. Peskin, J. Comp. Phys. 2007, 224, 1255.
16. F. L. H. Brown, Comp. Phys. Comm. 2007, 177, 172.
17. R. Zhang, F. L. H. Brown, J. Chem. Phys. 2008, 129.
18. A. P. Gast, C. K. Hall, W. B. Russel, J. Coll. Interface Sci. 1983, 96, 251.
19. M. H. J. Hagen, D. Frenkel, J. Chem. Phys. 1994, 101, 4093.
20. A. A. Louis, Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2001, 359, 939.
21. J. M. Drouffe, A. C. Maggs, S. Leibler, Science 1991, 254, 1353.
22. H. Noguchi, M. Takasu, Phys. Rev. E 2001, 64, 041913.
23. H. Noguchi, M. Takasu, J. Chem. Phys. 2001, 125, 9547.
24. H. Noguchi, M. Takasu, Biophys. J. 2002, 83, 299.
25. H. Noguchi, M. Takasu, Phys. Rev. E 2002, 65, 051907.
26. Z.-J. Wang, D. Frenkel, J. Chem. Phys. 2005, 122, 234711.
27. G. Brannigan, F. L. H. Brown, J. Chem. Phys. 2004, 120, 1059.
28. O. Farago, J. Chem. Phys. 2003, 119, 596.
29. G. Brannigan, P. F. Philips, F. L. H. Brown, Phys. Rev. E 2005, 72, 011915.
30. I. R. Cooke, K. Kremer, M. Deserno, Phys. Rev. E 2005, 72, 011506.
31. G. Brannigan, L. C.-L. Lin, F. L. H. Brown, Eur. Biophys. J. 2006, 35, 104.
32. M. Venturoli, M. M. Sperotto, M. Kranenburg, B. Smit, Phys. Rep. 2006, 437, 1.
33. M. Müller, K. Katsov, M. Schick, Phys. Rep. 2006, 434, 113.
34. I. R. Cooke, M. Desemo, J. Chem. Phys. 2005, 123.
35. H. J. Limbach, A. Arnold, B. A. Mann, C. Holm, Comput Phys. Commun. 2006, 174, 704.
36. G. S. Grest, K. Kremer, Phys. Rev. A 1986, 33, 3628.
37. P. J. Hoogerbrugge, J. M. V. A. Koelman, Europhys. Lett. 1992, 19, 155.
38. P. Español, P. Warren, Europhys. Lett. 1995.
39. B. Hess, S. León, N. van der Vegt, K. Kremer, Soft Matter 2007, 2, 409.
40. V. A. Harmandaris, N. P. Adhikari, N. F. A. van der Vegt, K. Kremer, B. A. Mann, R. Voelkel, H. Weiss, C. C. Liew, Macromolecules 2007, 40, 7026.
41. B. J. Reynwar, G. Illya, V. A. Harmandaris, M. M. Müller, K. Kremer, M. Desemo, Nature 2007, 447, 461.
42. A. Kolb, B. Dünweg, J. Chem. Phys. 1999, 111, 4453.
43. P. B. Canham, J. Theor. Biol. 1970, 26, 61.
44. E. A. Evans, Biophys. J. 1974, 14, 923.
45. M. Do Carmo, Differential Geometry of Curves and Surfaces, Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ1976.
46. O. Farago, J. Chem. Phys. 2008, 128.
47. W. K. den Otter, W. J. Briels, J. Chem. Phys. 2003, 118, 4712.
48. V. A. Harmandaris, M. Desemo, J. Chem. Phys. 2006, 125, 204905.
49. A. Arkhipov, Y. Yin, K. Schulten, Biophys. J. 2008, 95, 2806.
50. D. P. Siegel, M. M. Kozlov, Biophys. J. 2004, 87, 366.
51. T. Baumgart, S. Das, W. W. Webb, J. T. Jenkins, Biophys. Z 2005, 89, 1067.
52. G. Brannigan, F. L. H. Brown, Biophys. J. 2007, 92, 864.
53. W. Helfrich, J. Phys. Condens. Matter 1994, 6, A79.
54. F. L. H. Brown, personal communication.
55. G. Brannigan, F. L. H. Brown, Biophys. J. 2006, 90, 1501.
56. J. D. Litster, Phys. Lett. A 1975, 53, 193.
57. T. V. Tolpekina, W. K. den Otter, W. J. Briels, J. Chem. Phys. 2004, 121, 8014.
58. Z.-J. Wang, D. Frenkel, J. Chem. Phys. 2005, 123, 154701.
59. E. Evans, W. Rawicz, Phys. Rev. Lett. 1990, 64, 2094.
60. W. Rawicz, K. C. Olbrich, T. McIntosh, D. Needham, E. Evans, Biophys. J. 2000, 79, 328.
61. R. Kwok, E. Evans, Biophys. J. 1981, 35, 637.
62. H. Lodish, A. Berk, S. Zipursky, P. Matsudaira, D. Baltimore, J. Darnell, Molecular Cell Biology, W.H. Freeman & Company, New York 2000.
63. U. Seifert, R. Lipowsky, Phys. Rev. A 1990, 42, 4768.
64. R. Capovilla, J. Guven, Phys. Rev. E 2002, 66, 041604.
65. M. Desemo, M. M. Müller, J. Guven, Phys. Rev. E 2007, 76, 011605.
66. B. Róžycki, T. R. Weikl, R. Lipowsky, Phys. Rev. Lett. 2008, 100.
67. M. I. Hoopes, M. Deserno, M. L. Longo, R. Faller, J. Chem. Phys. 2008, 129, 175102.
68. C. Xing, R. Faller, J. Chem. Phys. 2008, 122, 7086.
69. R. Cantor, Biophys. J. 1999, 76, 2625.
70. L. Tamm, H. M. McConnell, Biophys. J. 1985, 47, 105.
71. E. Sackmann, Science 1996, 271, 43.
72. L. Q. Zhang, M. L. Longo, P. Stroeve, Langmuir 2000, 16, 5093.
73. C. A. Naumann, O. Prucker, T. Lehmann, J. Rühe, W. Knoll, C. W. Frank, Biomacromolecules 2002, 3, 27.
74. T. V. Ratto, M. L. Longo, Biophys. J. 2002, 83, 3380.
75. W. C. Lin, C. D. Blanchette, T. V. Ratto, M. L. Longo, Biophys. Z 2006, 90, 228.
76. G. Valincius, D. J. McGillivray, W. Febo-Ayala, D. J. Vanderah, J. J. Kasianowicz, M. Lösche, J. Phys. Chem. B 2006, 220, 10213.
77. D. J. McGillivray, G. Valincius, D. J. Vanderah, W. Febo-Ayala, J. T. Woodward, F. Heinrich, J. J. Kasianowicz, M. Lösche, Biointerphases 2007, 2, 21.
78. H. I. Petrache, S. Tristram-Nagle, J. F. Nagle, Chem. Phys. Lipids 1998, 95, 83.
79. C. Münster, J. Lu, S. Schinzel, B. Bechinger, T. Salditt, Eur. Biophys. J. 2000, 28, 683.
80. S. Tristram-Nagle, Y. F. Liu, J. Legleiter, J. F. Nagle, Biophys. J. 2002, 83, 3324.
81. Y. F. Liu, J. F. Nagle, Phys. Rev. E 2004, 69.
82. C. E. Miller, J. Majewski, T. L. Kuhl, Colloids Surf. A 2006,284, 434.
83. V. D. Gordon, M. Deserno, C. M. J. Andrew, S. U. Egelhaaf, W. C. K. Poon, Europhys. Lett. 2008, 84, 48003.
84. B. J. Reynwar, D. M., Biointerphases 2009, 3, FA117.
85. S. Mukherjee, F. Maxfield, Traffic 2000, 1, 203.
86. I. R. Cooke, M. Desemo, Biophys. J. 2006, 92, 487.
87. J. N. Israelachvili, D. J. Mitchell, B. W. Ninham, J. Chem. Soc. Farad. Trans. II 1976, 72, 1525.
88. A. Tian, T. Baumgart, Biophys. J. 2009, 96, 2676.
89. D. Andreu, L. Rivas, Biopolymers 1998, 47, 415.
90. Z. Oren, Y. Shai, Biopolymers 1998, 47, 451.
91. Y. Shai, Biochim. Biophys. Acta 1999, 1462, 55.
92. K. Matsuzaki, Biochim. Biophys. Acta 1999, 2462, 1.
93. A. Tossi, L. Sandri, A. Giangaspero, Biopolymers 2000, 55, 4.
94. K. A. Brogden, Nat Rev. Microbiol. 2005, 3, 238.
95. A. K. Panda, K. Nag, R. R. Harbottle, F. Possmayer, N. O. Petersen, J. Colloid Interface Sci 2007, 311, 551.
96. S. Trabelsi, S. Zhang, T. R. Lee, D. K. Schwartz, Phys. Rev. Lett. 2008, 100, 037802.
97. A. Zemel, D. R. Fattal, A. Ben-Shaul, Biophys. J. 2003, 84, 2242.
98. F. Y. Chen, M. T. Lee, H. W. Huang, Biophys. J. 2002, 82, 908.
99. G. Illya, M. Desemo, Biophys. J. 2008, 95, 4163.
100. C. F. Lopez, S. O. Nielsen, P. B. Moore, M. L. Klein, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 2004, 102, 4431.
101. S. O. Nielsen, B. Ensing, V. Ortiz, P. B. Moore, M. L. Klein, Biophys. J. 2005, 88, 3822.
102. M. Venturoli, B. Smit, M. M. Sperotto, Biophys. J. 2005, 88, 1778.
103. F. J.-M. de Meyer, M. Venturoli, B. Smit, Biophys. J. 2008, 95, 1851.
104. L Yang, T. A. Harroun, T. M. Weiss, L. Ding, H. W. Huang, Biophys. J. 2001, 81, 1475.
105. L. J. D. Frink, A. L. Frischknecht, Phys. Rev. Lett. 2006, 97, 208701.
106. M. Abramowitz, I. A. Stegun, Handbook of Mathematical Functions, Dover, New York 1970.
107. M. M. Nicolson, Proc. Camb. Philol. Soc. 1949, 45, 288.
108. I. Prigogine, R. Defay, Chemical Thermodynamics, Longmans, London 1954.
109. H. B. G. Casimir, Proc. Kon. Nederland. Akad. Wetensch. 1948, B51, 793.
110. M. E. Fisher, P. G. de Gennes, C. R. Seances Acad. Sci., Ser. B 1978, 287, 207.
111. M. Krech, The Casimir Effect in Critical Systems, World Scientific, Singapore 1994.
112. M. Krech, Phys. Rev. E 1997, 56, 1642.
113. M. Krech, J. Phys. Condens. Matter 1999, 11, R391.
114. R. R. Netz, Phys. Rev. Lett. 1996, 76, 3646.
115. A. Hanke, F. Schlesener, E. Eisenriegler, S. Dietrich, Phys. Rev. Lett. 1998, 81, 1885.
116. F. Schlesener, A. Hanke, S. Dietrich, J. Stat. Phys. 2003, 120, 981.
117. M. M. Müller, M. Desemo, J. Guven, Phys. Rev. E 2005, 72, 061407.
118. O. G. Mouritsen, M. Bloom, Biophys. J. 1984, 46, 141.
119. R. Capovilla, J. Guven, J. Phys. A Math. Gen. 2002, 35, 6233.
120. R. Capovilla, J. Guven, J. Phys. Condens. Matter 2004, 16, S2187.
121. M. M. Müller, M. Desemo, J. Guven, Europhys. Lett. 2005, 69, 482.
122. T. Weikl, M. Kozlov, W. Helfrich, Phys. Rev. E 1998, 57, 6988.
123. A. R. Evans, M. S. Turner, P. Sens, Phys. Rev. E 2003, 67.
124. M. Goulian, R. Bruinsma, P. Pincus, Europhys. Lett. 1993, 22, 145.
125. M. Goulian, R. Bruinsma, P. Pincus, Europhys. Lett. 1993, 23, 155.
126. J. B. Fournier, P. G. Dommersnes, Europhys. Lett. 1997, 39, 681.
127. J. M. Park, T. C. Lubensky, J. Physique I 1996, 6, 1217.
128. P. G. Dommersnes, J. B. Fournier, Eur. Phys. J. B 1999, 12, 9.
129. I. Koltover, J. Rädler, C. Safinya, Phys. Rev. Lett. 1999, 82, 1991.
130. K. Takei, V. Slepnev, V. Hauke, P. De Camilli, Afat. Cell Biol. 1999, 1, 33.
131. K. Farsad, N. Ringstad, K. Takei, S. Floyd, K. Rose, P. Del Camilli, J. Cell Biol 2001, 155, 193.
132. T. Itoh, K. Erdmann, A. Roux, B. Habermann, H. Werner, P. De Camilli, Dev. Cell 2005, 9, 791.
133. C. E. Morris, U. Homann, J. Membr. Biol. 2001, 179, 79.
134. J. C. Shelley, M. Y. Shelley, R. C. Reeder, S. Bandyopadhyay, M. L. Klein, J. Phys. Chem B 2001, 105, 4464.
135. J. C. Shelley, M. Y. Shelley, R. C. Reeder, S. Bandyopadhyay, P. B. Moore, M. L. Klein, J. Phys. Chem. B 2001, 105, 9785.
136. S. Izvekov, G. A. Voth, J. Phys. Chem. B 2005, 109, 2469.
137. S. Izvekov, G. A. Voth, J. Chem. Theory Comput 2006, 2, 637.
138. S. J. Marrink, A. H. de Vries, A. E. Mark, J. Phys. Chem. B 2004, 108, 750.
139. S. J. Marrink, H. J. Risselada, S. Yefimov, D. P. Tieleman, A. H. de Vries, J. Phys. Chem. B 2007, 122, 7812.
140. G. A. Voth, Ed., Coarse-Graining of Condensed Phase and Biomolecular Systems, Taylor & Francis, Boca Raton 2008.
141. J. Gesell, M. Zasloff, S. J. Opella, J. Biomol. NMR 1997, 9, 127.