Why size and speed matter: Frequency dependence and the mechanical properties of biomolecules

Soft Matter

Volumn 7, Issue 2, 2011, Pages 332-342

  Melzak, Kathryn A ^a   Moreno Flores, Susana ^a   López, Aitziber Eleta ^a   Toca Herrera, José L ^a,b  

^a CIC BIOMAGUNE   (Spain)

^b UNIVERSITY OF NATURAL RESOURCES AND LIFE SCIENCES   (Austria)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

ACOUSTIC EXPERIMENTS; AFM; BI-LAYER; BIO-MOLECULAR; BIOLOGICAL RESPONSE; BULK WATER; CELLULAR ENVIRONMENT; CONTINUUM MODEL; ELASTIC BEHAVIOUR; ELASTIC RESPONSE; EXPERIMENTAL TECHNIQUES; FREQUENCY DEPENDENCE; FREQUENCY-DEPENDENT; HIGH FREQUENCY; HIGH FREQUENCY HF; INTERFACIAL WATER; LOAD RATE; MOLECULAR MOTIONS; NANO SCALE; PHENOTYPIC EXPRESSION; PROTEIN NETWORK; SHEAR DISPLACEMENT; SIZE SCALE; STEM CELL; SUPPORTED LIPID BILAYERS; WHOLE CELL;

BIOLOGICAL MATERIALS; BIOMECHANICS; BIOMOLECULES; CONTINUUM MECHANICS; LIPID BILAYERS; QUARTZ; QUARTZ CRYSTAL MICROBALANCES; RELAXATION TIME; STEM CELLS;

MECHANICAL PROPERTIES;

EID: 78651353573     PISSN: 1744683X     EISSN: 17446848     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c0sm00425a     Document Type: Review

References (119)

1. P. C. Georges J. Hui Z. Gombos M. E. McCormick A. Y. Wang M. Uemura R. Mick P. A. Janmey E. E. Furth R. G. Wells Am. J. Physiol.: Gastrointest. Liver Physiol. 2007 293 G1147 G1154
2. F. Gilsanz E. Diez C. Gomez-Tabera A. Martinez del Pozo Drug Alcohol Depend. 1992 29 237 248
3. R. E. Waugh Biophys. J. 1987 51 363 369
4. U. Igbavboa N. A. Avdulov F. Schroeder W. G. Wood J. Neurochem. 2002 66 1717 1725
5. T. K. Berdyyeva C. D. Woodworth I. Sokolov Phys. Med. Biol. 2005 50 81 92
6. R. Sunyer X. Trepat J. J. Fredberg R. Farré D. Navajas Phys. Biol. 2009 6 1 10
7. D. E. Discher D. J. Mooney P. W. Zandstra Science 2009 324 1673 1677
8. A. J. Engler M. A. Griffin S. Sen C. G. Bönneman H. L. Sweeney D. E. Discher J. Cell Biol. 2004 166 877 887
9. J. G. Jacot A. D. McCulloch J. H. Omens Biophys. J. 2008 95 3479 3487
10. L. A. Flanagan Y. Ju B. Marg M. Osterfield P. A. Janmey Dev. Neurosci. 2002 13 2411 2415
11. P. C. Georges P. A. Janmey J. Appl. Physiol. 2005 98 1547 1553
12. S. Q. Liu R. Tay M. Khan P. L. R. Ee J. L. Hedrick Y. Y. Yang Soft Matter 2010 6 67 81
13. K. A. Melzak, S. Moreno-Flores, J. L. Toca-Herrera, Mechanical Cues for Cell Culture. In: Handbook on Biofunctional Surfaces, ed., W. Knoll,, Stanford Publishing, Singapore, accepted
14. R. A. Marklein J. A. Burdick Soft Matter 2010 6 136 143
15. M. T. Frey Y.-L. Wang Soft Matter 2009 5 1918 1924
16. K. Saha A. J. Keung E. F. Irwin Y. Li L. Little D. V. Schaffer K. E. Healy Biophys. J. 2008 95 4426 4438
17. G. Bao S. Suresh Nat. Mater. 2003 2 715 725
18. P. Kollmansberger B. Fabry Soft Matter 2009 5 1771 1774
19. C. T. Lim E. H. Zhou S. T. Quek J. Biomech. 2006 39 195 216
20. R. Ananthakrishnan, J. Guck, J. Käs. Cell mechanics: recent advances with a theoretical perspective. In: Recent Research Developments in Biophysics, ed., S. G. Pandalai,, Transworld Research Network, Kerala, 2006, vol. 5. pp 39-69
21. K. J. Van Vliet G. Bao S. Suresh Acta Mater. 2003 51 5881 5905
22. D. S. Ballantine, R. M. White, S. J. Martin, A. J. Ricco, E. T. Zellers, G. C. Frye, H. Wohltjen, Acoustic Wave Sensors, Academic Press, San Diego, 1997
23. S. J. Martin V. E. Granstaff G. C. Frye Anal. Chem. 1991 63 2272 2281
24. G. Sauerbrey Z. Phys. 1959 155 206 222
25. A. L. Kipling M. Thompson Anal. Chem. 1990 62 1514 1519
26. M. Rodahl B. Kasemo Sens. Actuators, A 1996 54 448 456
27. M. Yang M. Thompson W. C. Duncan-Hewitt Langmuir 1993 9 802 811
28. M. E. Edvardsson M. Rodahl F. Höök Analyst 2006 131 822 828
29. B. Borovsky B. L. Mason J. Krim J. Appl. Phys. 2000 88 4017 4021
30. M. Rodahl F. Höök C. Frederiksson C. A. Keller A. Krozer P. Brzezinski M. Voinova B. Kasemo Faraday Discuss. 1997 107 229 246
31. M. Edvardsson M. Rodahl B. Kasemo F. Höök Anal. Chem. 2005 77 4918 4926
32. M. A. Cooper F. N. Dultsev T. Minson V. P. Ostanin C. Abell D. Klenerman Nat. Biotechnol. 2001 19 833 837
33. V. A. Bloomfield, in Separations and Hydrodynamics, e.d, T. M. Schuster,, Series: OnLine Biophysics Textbook. 2000, http://malone.bioquant.uni- heidelberg.de/teaching/auc/Bloomfield-hydrodynamics.pdf
34. Iupac. Compendium of Chemical Terminology, 2nd edn (the "Gold Book"). Compiled by, A. D. McNaught, and, A. Wilkinson,. Blackwell Scientific Publications, Oxford (1997). XML on-line corrected version: http://goldbook.iupac.org (2006-) created by M. Nic, J. Jirat, B. Kosata; updates compiled by A. Jenkins. ISBN 0-9678550-9-8. doi:10.1351/goldbook
35. C. R. Cantor, P. R. Schimmel. Biophysical Chemistry, W. H. Freeman and Company, New York, 1980, p. 563
36. http://mythbustersresults.com/episode34 (This was tested by the television program Mythbusters, on the Discovery Channel; low velocity bullets went some distance through water, but bullets with a muzzle velocity of 3000 ft/s went only a very short distance, and disintegrated)
37. G. W. Robinson J. Lee K. G. Kasey D. Statman Chem. Phys. Lett. 1986 123 483 488
38. F. Bencivenga A. Cimatoribus A. Gessini M. G. Izzo C. Masciovecchio J. Chem. Phys. 2009 131 144502
39. C. Masciovecchio F. Bencivenga A. Gessini Condens. Matter Phys. 2008 11 47 56
40. E. H. Grant J. Chem. Phys. 1957 26 1575 1577
41. The value of 2.4 ps was calculated from the data shown in reference 21, using viscosity data from the CRC Handbook of Chemistry and Physics 90th edition, Ed., D. R. Lide,, CRC Press, Boca Raton. 2009, p. 4
42. G. Monaco A. Cunsolo G. Ruocco F. Sette Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. 1999 60 5505 5521
43. S. Granick Science 1991 253 1374 1379
44. M. P. Goertz J. E. Houston X.-Y. Zhu Langmuir 2007 23 5491 5497
45. A. Dhinojwala S. Granick J. Am. Chem. Soc. 1997 119 241 242
46. U. Raviv P. Laurat J. Klein Nature 2001 413 51 54
47. K. A. Melzak C. S. Sherwood R. F. B. Turner C. A. Haynes J. Colloid Interface Sci. 1996 181 635 644
48. T. S. Su J. R. Lu R. K. Thomas Z. F. Cui J. Penfold Langmuir 1998 14 438 445
49. V. Kiessling L. K. Tamm Biophys. J. 2003 84 408 418
50. S. J. Johnson T. M. Bayerl D. C. McDermott G. W. Adam A. R. Rennie R. K. Thomas E. Sackmann Biophys. J. 1991 59 289 294
51. S. Leikin V. A. Parsegian D. C. Rau R. P. Rand Annu. Rev. Phys. Chem. 1993 44 369 395
52. G. L. Richmond Chem. Rev. 2002 102 2693 2724
53. J. H. Hoh J. P. Cleveland C. B. Prater J. P. Revel P. K. Hansma J. Am. Chem. Soc. 1992 114 4917 4918
54. M. V. Voinova M. Jonson B. Kasemo J. Phys.: Condens. Matter 1997 9 7799 7808
55. J. Song R. E. Waugh Biophys. J. 1993 64 1967 1970
56. K. Velikov C. Dietrich A. Hadjiisky K. Danov B. Pouligny Europhys. Lett. 1997 40 405 410
57. C. A. Keller B. Kasemo Biophys. J. 1998 75 1397 1402
58. K. Melzak E. Ralph E. Gizeli Langmuir 2001 17 1594 1598
59. J. Milhaud Biochim. Biophys. Acta, Biomembr. 2004 1663 19 51
60. M. Shinitzky Y. Barenholz Biochim. Biophys. Acta 1978 515 367 394
61. M. Shinitzky Y. Barenholtz J. Biol. Chem. 1974 249 2652 2657
62. M. D. Houslay, K. K. Stanley. Dynamics of Biological Membranes. John Wiley and Sons, Chichester, 1982
63. E. J. Dufourc C. Mayer J. Stohrer G. Althoff G. Kothe Biophys. J. 1992 61 42 57
64. A. Genz J. F. Holzwarth Eur. Biophys. J. 1986 13 323 330
65. G. E. Crawford J. C. Earnshaw Biophys. J. 1987 52 87 94
66. J. Stohrer G. Gröbner D. Reimer K. Weisz C. Mayer G. Kothe J. Chem. Phys. 1991 95 672 678
67. T. D. W. Claridge, in High Resolution NMR Techniques in Organic Chemistry, ed., J.-E. Bäckvall,,, J. E. Baldwin, and, R. M. Williams,, Tetrahedron Organic Chemistry Series, Elsevier, Amsterdam, 2nd edn, 2009, pp 29
68. N. Mohandas E. Evans Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 1994 23 787 818
69. K. Kim Z. Lin P. Shrotriya S. Sundararajan Q. Zou Ultramicroscopy 2008 108 911 920
70. A. J. Ricco S. J. Martin Appl. Phys. Lett. 1987 50 1474 1476
71. K. A. Melzak F. Martin M. I. Newton G. McHale E. Gizeli J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 2002 40 1490 1495
72. I. J. Finkelstein A. M. Massari M. D. Fayer Biophys. J. 2007 92 3652 3662
73. O. Mermut R. L. York D. C. Phillips K. R. McRea R. S. Ward G. A. Samorjai Biointerphases 2006 1 P5 P11
74. O. Mermut D. C. Phillips R. L. York K. R. McRea R. S. Ward G. A. Samorjai J. Am. Chem. Soc. 2006 128 3598 3607
75. V. Lubchenko P. G. Wolynes H. Frauenfelder J. Phys. Chem. B 2005 109 7488 7499
76. L. Zhang L. Wang Y. Kao W. Qiu Y. Yang O. Okabiah D. Zhong Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 2007 104 18461 18466
77. A. Gry Hemmersam K. Rechendorff M. Foss D. S. Sutherland F. Besenbacher J. Colloid Interface Sci. 2008 320 110 116
78. P. G. Saffman M. Delbrück Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 1975 72 3111 3113
79. D. P. McDaniel G. A. Shaw J. T. Elliott K. Bhadriraju C. Meuse K. Chung A. L. Plant Biophys. J. 2007 92 1759 1769
80. K. Ghosh Z. Pan E. Guan S. Ge Y. Liu T. Nakamura X. Ren M. Rafailovich R. A. F. Clark Biomaterials 2007 28 671 679
81. N. Nijenhuis D. Mizuno J. A. E. Spaan C. F. Schmidt Phys. Biol. 2009 6 025014
82. F. G. Torres O. P. Tronsco D. Lopez C. Grande C. M. Gomez Soft Matter 2009 5 4185 4190
83. M. Radmacher M. Fritz C. M. Kacher J. P. Cleveland P. K. Hansma Biophys. J. 1996 70 556 567
84. T. G. Kuznetsova M. N. Starodubtseva N. I. Yegorenkov S. A. Chizhik R. I. Zhdanov Micron 2007 38 824 833
85. M. Jonas H. Huang R. D. Kamm P. T. C. So Biophys. J. 2008 95 895 909
86. E. A. G. Peeters. Ph.D Thesis. Technische Universiteit Eindhoven, 2004
87. F. Wottawah S. Schinkinger B. Lincoln R. Ananthakrishnan M. Romeyke J. Guck J. Käs Phys. Rev. Lett. 2005 94 098103
88. J. Alcaraz L. Buscemi M. Grabulosa X. Trepat B. Fabry R. Farré D. Navajas Biophys. J. 2003 84 2071 2079
89. K. A. Marx T. Zhou A. Montrone D. McIntosh S. J. Braunhutt Anal. Biochem. 2007 361 77 82
90. J. Wegener J. Seebach A. Janshoff H.-J. Galla Biophys. J. 2000 78 2821 2833
91. Q. S. Li G. Y. H. Lee C. N. Ong C. T. Lim Biochem. Biophys. Res. Commun. 2008 374 609 613
92. E. A-Hassan W. F. Heinz M. D. Antonik N. P. D'Costa S. Nageswaran C. A. Schoenenberger J. H. Hoh Biophys. J. 1998 74 1564 1578
93. A. B. Mathur A. M. Collinsworth W. M. Reichert W. E. Kraus G. A. Truskey J. Biomech. 2001 34 1545 1553
94. M. Zhao C. Srinivasan D. J. Burgess B. D. Huey J. Mater. Res. 2006 21 1906 1912
95. S. Moreno-Flores R. Benitez M.dM. Vivanco J. L. Toca-Herrera J. Biomech. 2010 43 349 354
96. G. W. Schmid-Schönbein E. L. Sung H. Tozeren R. Skalak S. Chien Biophys. J. 1981 36 243 256
97. M. Sato N. Ohshima R. M. Nerem J. Biomech. 1990 29 461 467
98. Z.-Z. Wu G. Zhang M. Long H.-B. Wang G.-B. Song S.-X. Cai Biorheology 2000 37 279 290
99. O. Thoumine A. Ott J. Cell Sci. 1997 110 2109 2116
100. W. R. Jones P.-H. Ting-Beall G. M. Lee S. S. Kelley J. Biomech. 1999 32 119 127
101. E. J. Koay A. C. Shieh K. A. Athanasiou J. Biomech. Eng. 2003 125 334 341
102. B. Fabry G. N. Maksym J. P. Butler M. Glogauer D. Navajas N. A. Taback E. J. Millet J. J. Fredberg Phys. Rev. E: Stat., Nonlinear, Soft Matter Phys. 2003 68 041914
103. M. Puig-De-Morales M. Grabulosa J. Alcaraz J. Mullol G. N. Maksym J. J. Fredberg D. Navajas J. Appl. Physiol. 2001 91 1152 1159
104. J. Israelachvili, Intermolecular and Surface Forces, Academic Press, Amsterdam, 1991, pp. 176-311
105. C. Rotsch F. Braet E. Wisse M. Radmacher Cell Biol. Int. 1997 21 685 696
106. S. Féréol R. Fodil B. Labat S. Galiacy V. M. Laurent B. Louis D. Isabey E. Planus Cell Motil. Cytoskeleton 2006 63 321 340
107. M. J. Rosenbluth W. A. Lam D. A. Fletcher Biophys. J. 2006 90 2994 3003
108. M. Sugawara Y. Ishida H. Wada Hear. Res. 2002 174 222 229
109. M. Sugawara Y. Ishida H. Wada Hear. Res. 2004 192 57 64
110. J. F. Tolomeo C. R. Steele M. C. Holley Biophys. J. 1996 71 421 429
111. M. Murakoshi N. Yoshida K. Iida S. Kumano T. Kobayashi H. Wada Auris Nasus Larynx 2006 33 149 157
112. A. E. Pelling D. W. Dawon D. M. Carreon J. J. Christiansen R. R. Shen M. A. Teitell J. K. Gimzewski Nanomed.: Nanotechnol., Biol. Med. 2007 3 43 52
113. S. Park D. Koch R. Cardenas J. Käs C. K. Shih Biophys. J. 2005 89 4330 4342
114. R. E. Mahaffy S. Park E. Gerde J. Käs C. K. Shih Biophys. J. 2004 86 1777 1793
115. G. R. Bushell C. Cahill F. M. Clarke C. T. Gibson S. Myhra G. S. Watson Cytometry 1999 36 254 264
116. V. Saravia J. L. Toca-Herrera Microsc. Res. Tech. 2009 72 957 964
117. F. J. Byfield R. K. Reen T. Shentu I. Levitan K. J. Gooch J. Biomech. 2009 42 1114 1119
118. J. Alcaraz R. Xu H. Mori C. M. Nelson R. Mroue V. A. Spencer D. Brownfield D. C. Radisky C. Bustamante M. J. Bissell EMBO J. 2008 27 2829 2838
119. A. B. Mathur G. A. Truskey W. M. Reichert Biophys. J. 2000 78 1725 1735