From simple to complex: Investigating the effects of lipid composition and phase on the membrane interactions of biomolecules using in situ atomic force microscopy

Integrative Biology

Volumn 3, Issue 6, 2011, Pages 632-644

  Zhong, Jian ^a,b  

^a SHANGHAI JIAO TONG UNIVERSITY   (China)

^b PEKING UNIVERSITY HEALTH SCIENCE CENTER   (China)

Author keywords

[No Author keywords available]

Indexed keywords

CHOLESTEROL; GLYCEROPHOSPHOLIPID; SPHINGOLIPID; SPHINGOMYELIN; STEROL;

ATOMIC FORCE MICROSCOPY; BIOMIMETICS; CELL FUNCTION; CELL MEMBRANE; DYNAMICS; LIPID BILAYER; LIPID COMPOSITION; LIPID MEMBRANE; LIPID RAFT; NANOANALYSIS; PHASE SEPARATION; PRIORITY JOURNAL; PROTEIN FUNCTION; PROTEIN INTERACTION; PROTEIN LOCALIZATION; PROTEIN STRUCTURE; PROTEIN TRANSPORT; REVIEW;

CELL MEMBRANE; MEMBRANE LIPIDS; MEMBRANE PROTEINS; MICROSCOPY, ATOMIC FORCE; PROTEIN BINDING;

EID: 79959216489     PISSN: 17579694     EISSN: 17579708     Source Type: Journal    
DOI: 10.1039/c0ib00157k     Document Type: Review

References (163)

1. M. Edidin, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2003, 4, 414-418.
2. M. R. Wenk, Nat. Rev. Drug Discovery, 2005, 4, 594-610.
3. R. W. Gross and X. L. Han, Future Lipidol., 2006, 1, 539-547.
4. F. R. Maxfield, Curr. Opin. Cell Biol., 2002, 14, 483-487.
5. V. Michel and M. Bakovic, Biol. Cell, 2007, 99, 129-140.
6. M. Bretscher, Nat. New Biol., 1972, 236, 11-12.
7. K. Simons and E. Ikonen, Science, 2000, 290, 1721-1726.
8. G. van Meer, D. R. Voelker and G. W. Feigenson, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2008, 9, 112-124.
9. E. Ikonen, Curr. Opin. Cell Biol., 2001, 13, 470-477.
10. K. Simons and D. Toomre, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2000, 1, 31-39.
11. J. Fantini, N. Garmy, R. Mahfoud and N. Yahi, Exp. Rev. Mol. Med., 2002, 2002, 1-22.
12. Y. H. M. Chan and S. G. Boxer, Curr. Opin. Chem. Biol., 2007, 11, 581-587.
13. J. Groves, in BioMEMS and Biomedical Nanotechnology, 2007, pp. 305-323.
14. E. T. Castellana and P. S. Cremer, Surf. Sci. Rep., 2006, 61, 429-444.
15. Y. F. Dufrene and G. U. Lee, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2000, 1509, 14-41.
16. S. D. Connell and D. A. Smith, Mol. Membr. Biol., 2006, 23, 17-28.
17. S. J. Singer and G. L. Nicolson, Science, 1972, 175, 720-731.
18. M. Edidin, Curr. Opin. Struct. Biol., 1997, 7, 528-532.
19. K. Matsumoto, J. Kusaka, A. Nishibori and H. Hara, Mol. Microbiol., 2006, 61, 1110-1117.
20. C. Dietrich, Z. N. Volovyk, M. Levi, N. L. Thompson and K. Jacobson, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2001, 98, 10642-10647.
21. K. Simons and E. Ikonen, Nature, 1997, 387, 569-572.
22. L. J. Pike, J. Lipid Res., 2006, 47, 1597-1598.
23. P. Sharma, R. Varma, R. C. Sarasij, Ira, K. Gousset, G. Krishnamoorthy, M. Rao and S. Mayor, Cell, 2004, 116, 577-589.
24. D. A. Brown and E. London, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 1998, 14, 111-136.
25. L. H. Chamberlain and G. W. Gould, J. Biol. Chem., 2002, 277, 49750-49754.
26. M. Fallahi-Sichani and J. J. Linderman, PLoS One, 2009, 4.
27. J. B. Helms and C. Zurzolo, Traffic, 2004, 5, 247-254.
28. B. A. Tsui-Pierchala, M. Encinas, J. Milbrandt and E. M. Johnson, Trends Neurosci., 2002, 25, 412-417.
29. S. Bodin, C. Soulet, H. Tronchere, P. Sie, C. Gachet, M. Plantavid and B. Payrastre, J. Cell Sci., 2005, 118, 759-769.
30. C. Gajate, F. Gonzalez-Camacho and F. Mollinedo, Biochem. Biophys. Res. Commun., 2009, 380, 780-784.
31. K. K. Wary, A. Mariotti, C. Zurzolo and F. G. Giancotti, Cell, 1998, 94, 625-634.
32. D. R. Taylor and N. M. Hooper, Mol. Membr. Biol., 2006, 23, 89-99.
33. M. Vey, S. Pilkuhn, H. Wille, R. Nixon, S. J. Dearmond, E. J. Smart, R. G. W. Anderson, A. Taraboulos and S. B. Prusiner, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1996, 93, 14945-14949.
34. A. Taraboulos, M. Scott, A. Semenov, D. Avraham, L. Laszlo and S. B. Prusiner, J. Cell Biol., 1995, 129, 121-132.
35. V. T. Marchesi, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2005, 102, 9093-9098.
36. J. M. Cordy, N. M. Hooper and A. J. Turner, Mol. Membr. Biol., 2006, 23, 111-122.
37. R. F. Epand, M. A. Schmitt, S. H. Gellman and R. M. Epand, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2006, 1758, 1343-1350.
38. R. M. Epand and R. F. Epand, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2009, 1788, 289-294.
39. G. Ourisson, M. Rohmer and K. Poralla, Annu. Rev. Microbiol., 1987, 41, 301-333.
40. M. Masserini and D. Ravasi, BBA-Mol. Cell Biol. Lipids, 2001, 1532, 149-161.
41. W. G. Hill and M. L. Zeidel, J. Biol. Chem., 2000, 275, 30176-30185.
42. J. P. Slotte, Chem. Phys. Lipids, 1999, 102, 13-27.
43. M. P. Veiga, J. L. R. Arrondo, F. M. Goni, A. Alonso and D. Marsh, Biochemistry, 2001, 40, 2614-2622.
44. K. Simons and W. L. C. Vaz, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 2004, 33, 269-295.
45. S. Morandat and K. El Kirat, Langmuir, 2006, 22, 5786-5791.
46. K. El Kirat and S. Morandat, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2007, 1768, 2300-2309.
47. G. W. Feigenson and J. T. Buboltz, Biophys. J., 2001, 80, 2775-2788.
48. R. F. M. de Almeida, A. Fedorov and M. Prieto, Biophys. J., 2003, 85, 2406-2416.
49. S. L. Veatch, K. Gawrisch and S. L. Keller, Biophys. J., 2006, 90, 4428-4436.
50. Z. Salamon, S. Devanathan, I. D. Alves and G. Tollin, J. Biol. Chem., 2005, 280, 11175-11184.
51. M. Winterhalter, Curr. Opin. Colloid Interface Sci., 2000, 5, 250-255.
52. H. T. Tien and A. Ottova-Leitmannova, Planar Lipid Bilayers (BLMs) and their applications, Elsevier, Boston, 2003.
53. D. M. Czajkowsky and Z. F. Shao, Methods Cell Biol., 2002, 68, 231-241.
54. J. Oreopoulos and C. M. Yip, Biophys. J., 2009, 96, 1970-1984.
55. X. J. Han, M. R. Cheetham, K. Sheikh, P. D. Olmsted, R. J. Bushby and S. D. Evans, Integr. Biol., 2009, 1, 205-211.
56. V. P. Torchilin and V. Weissig, Liposomes: a practical approach, Oxford University Press, USA, 2003.
57. S. C. Basu and M. Basu, Liposome Methods and Protocols, Humana Press, 2010.
58. L. A. Bagatolli, Methods Enzymol., 2003, 367, 233-253.
59. N. Kahya, D. Scherfeld, K. Bacia and P. Schwille, J. Struct. Biol., 2004, 147, 77-89.
60. N. Kahya, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2010, 1798, 1392-1398.
61. S. Miersch and B. Mutus, Curr. Anal. Chem., 2007, 3, 81-92.
62. G. W. Feigenson, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 2007, 36, 63-77.
63. M. J. Newman and T. H. Wilson, J. Biol. Chem., 1980, 255, 10583-10585.
64. J. Folch, M. Lees and G. H. Sloane stanley, J. Biol. Chem., 1953, 226, 497-509.
65. S. Chiantia, N. Kahya and P. Schwille, Langmuir, 2005, 21, 6317-6323.
66. S. Heyse, O. P. Ernst, Z. Dienes, K. P. Hofmann and H. Vogel, Biochemistry, 1998, 37, 507-522.
67. M. Besenicar, P. Macek, J. H. Lakey and G. Anderluh, Chem. Phys. Lipids, 2006, 141, 169-178.
68. C. A. Keller and B. Kasemo, Biophys. J., 1998, 75, 1397-1402.
69. R. Richter, A. Mukhopadhyay and A. Brisson, Biophys. J., 2003, 85, 3035-3047.
70. A.-S. Andersson, K. Glasmastar, D. Sutherland, U. Lidberg and B. Kasemo, J. Biomed. Mater. Res., 2003, 64A, 622-629.
71. E. M. A. Pereira, D. F. S. Petri and A. M. Carmona-Ribeiro, J. Phys. Chem. B, 2006, 110, 10070-10074.
72. J. M. Crane and L. K. Tamm, Biophys. J., 2004, 86, 2965-2979.
73. J. Oreopoulos and C. M. Yip, J. Struct. Biol., 2009, 168, 21-36.
74. Z. F. Shao, J. Yang and A. P. Somlyo, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 1995, 11, 241-265.
75. S. Morandat and K. El Kirat, Langmuir, 2007, 23, 10929-10932.
76. R. Wang, J. Shi, A. N. Parikh, A. P. Shreve, L. H. Chen and B. I. Swanson, Colloids Surf., B, 2004, 33, 45-51.
77. O. Domenech, S. Merino-Montero, M. T. Montero and J. Hernandez-Borrell, Colloids Surf., B, 2006, 47, 102-106.
78. D. M. Czajkowsky, H. Iwamoto, T. L. Cover and Z. F. Shao, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1999, 96, 2001-2006.
79. S. Scheuring, J. Seguin, S. Marco, D. Levy, B. Robert and J. L. Rigaud, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2003, 100, 1690-1693.
80. L. Kam and S. G. Boxer, J. Biomed. Mater. Res., 2001, 55, 487-495.
81. J. T. Groves and M. L. Dustin, J. Immunol. Methods, 2003, 278, 19-32.
82. K. El Kirat, S. Morandat and Y. F. Dufrene, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2010, 1798, 750-765.
83. A. Berquand, M. P. Mingeot-Leclercq and Y. F. Dufrene, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2004, 1664, 198-205.
84. P. R. Leroueil, S. Y. Hong, A. Mecke, J.R. Baker, B. G. Orr and M. M. B. Holl, Acc. Chem. Res., 2007, 40, 335-342.
85. Y. Roiter, M. Ornatska, A. R. Rammohan, J. Balakrishnan, D. R. Heine and S. Minko, Nano Lett., 2008, 8, 941-944.
86. E. Kalb, S. Frey and L. K. Tamm, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 1992, 1103, 307-316.
87. L. K. Tamm and H. M. McConnell, Biophys. J., 1985, 47, 105-113.
88. A. L. Plant, Langmuir, 1999, 15, 5128-5135.
89. G. Binnig, C. F. Quate and C. Gerber, Phys. Rev. Lett., 1986, 56, 930-933.
90. A. Alessandrini and P. Facci, Meas. Sci. Technol., 2005, 16, 65-92.
91. Y. Martin, C. C. Williams and H. K. Wickramasinghe, J. Appl. Phys., 1987, 61, 4723-4729.
92. Q. Zhong, D. Inniss, K. Kjoller and V. B. Elings, Surf. Sci., 1993, 290, L688-L692.
93. P. K. Hansma, J. P. Cleveland, M. Radmacher, D. A. Walters, P. E. Hillner, M. Bezanilla, M. Fritz, D. Vie, H. G. Hansma, C. B. Prater, J. Massie, L. Fukunaga, J. Gurley and V. Elings, Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 1738-1740.
94. C. A. J. Putman, K. O. V. d. Werf, B. G. D. Grooth, N. F. V. Hulst and J. Greve, Appl. Phys. Lett., 1994, 64, 2454-2456.
95. J. Yang, L. K. Tamm, T. W. Tillack and Z. Shao, J. Mol. Biol., 1993, 229, 286-290.
96. J. Jass, T. Tjarnhage and G. Puu, Biophys. J., 2000, 79, 3153-3163.
97. A. Slade, J. Luh, S. Ho and C. M. Yip, J. Struct. Biol., 2002, 137, 283-291.
98. K. L. Westra, A. W. Mitchell and D. J. Thomson, J. Appl. Phys., 1993, 74, 3608-3610.
99. M. N. Murray, H. G. Hansma, M. Bezanilla, T. Sano, D. F. Ogletree, W. Kolbe, C. L. Smith, C. R. Cantor, S. Spengler and P. K. Hansma, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 1993, 90, 3811-3814.
100. J. Yang, J. Mou, J. Y. Yuan and Z. Shao, J. Microsc., 1996, 182, 106-113.
101. M. Plodinec, M. Loparic and U. Aebi, Cold Spring Harb Protoc, 2010, pdb.top86.
102. T. A. Kendall, S. K. Lower and L. S. Donald, in Advances in Agronomy, Academic Press, 2004, pp. 1-54.
103. S. S. Wong, J. D. Harper, P. T. Lansbury and C. M. Lieber, J. Am. Chem. Soc., 1998, 120, 603-604.
104. P. Samorì, A. Ebner, L. Wildling, R. Zhu, C. Rankl, T. Haselgrübler, P. Hinterdorfer and H. Gruber, in STM and AFM Studies on (Bio)molecular Systems: Unravelling the Nanoworld, Springer Berlin/Heidelberg, 2008, pp. 29-76.
105. M. Plodinec, M. Loparic and U. Aebi, Cold Spring Harb Protoc, 2010, pdb.prot5502-.
106. Z. Shao, J. Yang and A. P. Somlyo, Annu. Rev. Cell Dev. Biol., 1995, 11, 241-265.
107. N. C. Santos and M. A. R. B. Castanho, Biophys. Chem., 2004, 107, 133-149.
108. P. Parot, Y. F. Dufrêne, P. Hinterdorfer, C. Le Grimellec, D. Navajas, J.-L. Pellequer and S. Scheuring, J. Mol. Recognit., 2007, 20, 418-431.
109. D. J. Muller and Y. F. Dufrene, Nat. Nanotechnol., 2008, 3, 261-269.
110. C. Verbelen and Y. F. Dufrene, Integr. Biol., 2009, 1, 296-300.
111. J. J. Heinisch and Y. F. Dufrene, Integr. Biol., 2010, 2, 408-415.
112. J. Guck, F. Lautenschlager, S. Paschke and M. Beil, Integr. Biol., 2010, 2, 575-583.
113. K. C. Neuman and A. Nagy, Nat. Methods, 2008, 5, 491-505.
114. S. Garcia-Manyes and F. Sanz, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2010, 1798, 741-749.
115. E. I. Goksu, J.M. Vanegas, C. D. Blanchette, W. C. Lin and M. L. Longo, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2009, 1788, 254-266.
116. A. E. Garner, D. Alastair Smith and N. M. Hooper, Biophys. J., 2008, 94, 1326-1340.
117. S. Hong, P. R. Leroueil, E. K. Janus, J. L. Peters, M.-M. Kober, M. T. Islam, B. G. Orr, J. R. Baker and M. M. Banaszak Holl, Bioconjugate Chem., 2006, 17, 728-734.
118. R. Brasseur, M. Deleu, M.-P. Mingeot-Leclercq, G. Francius and Y. F. Dufrêne, Surf. Interface Anal., 2008, 40, 151-156.
119. J. Oreopoulos and C. M. Yip, J. Struct. Biol., 2009, 168, 21-36.
120. Y. Roiter, M. Ornatska, A. R. Rammohan, J. Balakrishnan, D. R. Heine and S. Minko, Nano Lett., 2008, 8, 941-944.
121. D. J. Muller and A. Engel, Nat. Protoc., 2007, 2, 2191-2197.
122. W.-C. Lin, C. D. Blanchette, T. V. Ratto and M. L. Longo, 2007, pp. 503-513.
123. C.-L. Schengrund, Brain Res. Bull., 2010, 82, 7-17.
124. L. De Gioia, C. Selvaggini, E. Ghibaudi, L. Diomede, O. Bugiani, G. Forloni, F. Tagliavini and M. Salmona, J. Biol. Chem., 1994, 269, 7859-7862.
125. D. R. Brown, B. Schmidt and H. A. Kretzschmar, Nature, 1996, 380, 345-347.
126. G. Forloni, N. Angeretti, R. Chiesa, E. Monzani, M. Salmona, O. Bugiani and F. Tagliavini, Nature, 1993, 362, 543-546.
127. D. R. Brown, J. Herms and H. A. Kretzschmar, NeuroReport, 1994, 5, 2057-2060.
128. D. R. Brown, J. Neurochem., 2002, 82, 209-215.
129. J. Zhong, W. Zheng, L. Huang, Y. Hong, L. Wang, Y. Qiu and Y. Sha, Biochim. Biophys. Acta, Biomembr., 2007, 1768, 1420-1429.
130. J. Zhong, C. Yang, W. Zheng, L. Huang, Y. Hong, L. Wang and Y. Sha, Biophys. J., 2009, 96, 4610-4621.
131. J. Zhong, C. Yang, W. Zheng, L. Huang, Y. Hong, L. Wang and Y. Sha, Colloids Surf., B, 2010, 77, 40-46.
132. C. M. Yip, E. A. Elton, A. A. Darabie, M. R. Morrison and J. McLaurin, J. Mol. Biol., 2001, 311, 723-734.
133. C. M. Yip, A. A. Darabie and J. McLaurin, J. Mol. Biol., 2002, 318, 97-107.
134. S. Mayor and H. Riezman, Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 2004, 5, 110-120.
135. P. E. Milhiet, M. C. Giocondi, O. Baghdadi, F. Ronzon, B. Roux and C. Le Grimellec, EMBO Rep., 2002, 3, 485-490.
136. D. E. Saslowsky, J. Lawrence, X. Y. Ren, D. A. Brown, R. M. Henderson and J. M. Edwardson, J. Biol. Chem., 2002, 277, 26966-26970.
137. Y. Shai, Biopolymers, 2002, 66, 236-248.
138. T. Ganz, Nat. Rev. Immunol., 2003, 3, 710-720.
139. M. Zasloff, Nature, 2002, 415, 389-395.
140. J. E. Shaw, J.-R. Alattia, J. E. Verity, G. Prive Gilbert and C. M. Yip, J. Struct. Biol., 2006, 154, 42-58.
141. J. E. Verity, N. Chhabra, K. Sinnathamby and C. M. Yip, Biophys. J., 2009, 97, 1225-1231.
142. C. S. Sweetenham and I. Notingher, Spectroscopy-an International Journal, 2010, 24, 113-117.
143. S. Chiantia, N. Kahya, J. Ries and P. Schwille, Biophys. J., 2006, 90, 4500-4508.
144. A. R. Burns, Langmuir, 2003, 19, 8358-8363.
145. D. J. Muller and A. Engel, Biophys. J., 1997, 73, 1633-1644.
146. C. Hennesthal and C. Steinem, J. Am. Chem. Soc., 2000, 122, 8085-8086.
147. C. Hennesthal, J. Drexler and C. Steinem, ChemPhysChem, 2002, 3, 885-889.
148. I. Mey, M. Stephan, E. K. Schmitt, M. M. Muller, M. Ben Amar, C. Steinem and A. Janshoff, J. Am. Chem. Soc., 2009, 131, 7031-7039.
149. B. R. Lentz, Chem. Phys. Lipids, 1993, 64, 99-116.
150. H. Ellens, J. Bentz and F. C. Szoka, Biochemistry, 1984, 23, 1532-1538.
151. N. J. Greenfield, Nat. Protoc., 2006, 1, 2876-2890.
152. T. Ando, T. Uchihashi, N. Kodera, D. Yamamoto, A. Miyagi, M. Taniguchi and H. Yamashita, Pfluegers Arch., 2008, 456, 211-225.
153. P. K. Hansma, G. Schitter, G. E. Fantner and C. Prater, Science, 2006, 314, 601-602.
154. D. M. Carberry, L. Picco, P. G. Dunton and M. J. Miles, Nanotechnology, 2009, 20.
155. B. Zhao, J. P. Howard-Knight, A. D. L. Humphris, L. Kailas, E. C. Ratcliffe, S. J. Foster and J. K. Hobbs, Rev. Sci. Instrum., 2009, 80.
156. G. E. Fantner, R. J. Barbero, D. S. Gray and A. M. Belcher, Nat. Nanotechnol., 2010, 5, 280-285.
157. S. M. Flores and J. L. Toca-Herrera, Nanoscale, 2009, 1, 40-49.
158. G. Patterson, M. Davidson, S. Manley and J. Lippincott-Schwartz, Annu. Rev. Phys. Chem., 2010, 61, 345-367.
159. R. Gutierrez, G. Grossmann, W. B. Frommer and D. W. Ehrhardt, Plant Physiol., 2010, 154, 463-466.
160. K. I. Willig, S. O. Rizzoli, V. Westphal, R. Jahn and S. W. Hell, Nature, 2006, 440, 935-939.
161. S. T. Hess, T. J. Gould, M. V. Gudheti, S. A. Maas, K. D. Mills and J. Zimmerberg, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2007, 104, 17370-17375.
162. B. Huang, S. A. Jones, B. Brandenburg and X. Zhuang, Nat. Methods, 2008, 5, 1047-1052.
163. C. Eggeling, C. Ringemann, R. Medda, G. Schwarzmann, K. Sandhoff, S. Polyakova, V. N. Belov, B. Hein, C. von Middendorff, A. Schonle and S. W. Hell, Nature, 2009, 457, 1159-1162.