1. How to best estimate the viscosity of lipid bilayers
- Author
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Gamal Rayan, Martin Picard, Wladimir Urbach, Vladimir Adrien, Isabelle Broutin, Ksenia Astafyeva, Nicolas Taulier, Patrick F.J. Fuchs, Laboratoire de physique de l'ENS - ENS Paris (LPENS), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Département de Physique de l'ENS-PSL, École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL), Cibles Thérapeutiques et conception de médicaments (CiTCoM - UMR 8038), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Laboratoire de biologie physico-chimique des protéines membranaires (LBPC-PM (UMR_7099)), Institut de biologie physico-chimique (IBPC (FR_550)), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité), Laboratoire des biomolécules (LBM UMR 7203), Chimie Moléculaire de Paris Centre (FR 2769), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-École normale supérieure - Paris (ENS-PSL), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Département de Chimie - ENS Paris, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Mécanismes Moléculaires Membranaires, Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Cité (UPCité)-Département de Physique de l'ENS-PSL, Laboratoire d'Imagerie Biomédicale (LIB), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Taulier, Nicolas, Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)-Sorbonne Université (SU)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Sorbonne Université (SU)-Département de Chimie - ENS Paris, École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Chimie Moléculaire de Paris Centre (FR 2769), Institut de Chimie du CNRS (INC)-École normale supérieure - Paris (ENS Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut de Chimie du CNRS (INC)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Ecole Nationale Supérieure de Chimie de Paris - Chimie ParisTech-PSL (ENSCP), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Laboratoire de physique de l'ENS - ENS Paris (LPENS (UMR_8023)), and Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Paris (UP)
- Subjects
Fluorescence-lifetime imaging microscopy ,FLIM ,Diffusion ,[PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph] ,Lipid Bilayers ,Biophysics ,02 engineering and technology ,010402 general chemistry ,01 natural sciences ,Biochemistry ,lipids ,Viscosity ,Lipid bilayer ,Molecular diffusion ,[PHYS.PHYS.PHYS-BIO-PH] Physics [physics]/Physics [physics]/Biological Physics [physics.bio-ph] ,Chemistry ,Bilayer ,Organic Chemistry ,Fluorescence recovery after photobleaching ,021001 nanoscience & nanotechnology ,0104 chemical sciences ,Membrane ,Microscopy, Fluorescence ,Chemical physics ,FRAP ,Hydrodynamics ,fluorescence ,0210 nano-technology ,bilayers - Abstract
The viscosity of lipid bilayers is a property relevant to biological function, as it affects the diffusion of membrane macromolecules. To determine its value, and hence portray the membrane, various literature-reported techniques lead to significantly different results. Herein we compare the results issuing from two widely used techniques to determine the viscosity of membranes: the Fluorescence Lifetime Imaging Microscopy (FLIM), and Fluorescence Recovery After Photobleaching (FRAP). FLIM relates the time of rotation of a molecular rotor inserted into the membrane to the macroscopic viscosity of a fluid. Whereas FRAP measures molecular diffusion coefficients. This approach is based on a hydrodynamic model connecting the mobility of a membrane inclusion to the viscosity of the membrane. We show that: - The first method is very sensitive to local changes in viscosity; however, most often it would only provide the viscosity of the hydrophobic part of the membrane. - The membrane viscosity is adequately estimated when the hydrodynamic model approach is applied to the mobility of micrometric size membrane inclusion but not for nanometric size inclusions such as lipids or proteins. In this case, the calculated value extracted from the same hydrodynamic model characterizes the interaction of the given nano-inclusion with the bilayer instead of the bilayer viscosity. This article emphasizes the pitfalls to be avoided and the rules to be observed in order to obtain a value of the bilayer viscosity that characterizes the bilayer instead of interactions between the bilayer and the embedded probe.
- Published
- 2021
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