Marino Arroyo, Jean-Baptiste Fournier, Anne-Florence Bitbol, Miglena I. Angelova, Mohammad Rahimi, Nicolas Puff, Nada Khalifat, Michel Seigneuret, Universitat Politècnica de Catalunya. Departament de Matemàtica Aplicada III, Universitat Politècnica de Catalunya. LACÀN - Mètodes Numèrics en Ciències Aplicades i Enginyeria, Centre de Recherche Saint-Antoine (CR Saint-Antoine), Université Pierre et Marie Curie - Paris 6 (UPMC)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM), Décision et Information pour les Systèmes de Production (DISP), Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université Lumière - Lyon 2 (UL2), Laboratoire Jean Perrin (LJP), Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Biologie Paris Seine (IBPS), Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Sorbonne Université (SU)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Matière et Systèmes Complexes (MSC (UMR_7057)), Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire de Physico-Chimie Théorique (LPCT), ESPCI ParisTech-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratori de Càlcul Numèric (LACAN) (LaCàN), Universitat Politècnica de Catalunya [Barcelona] (UPC), Centre de Recherche Saint-Antoine (UMRS893), Université Lumière - Lyon 2 (UL2)-Université Claude Bernard Lyon 1 (UCBL), Université de Lyon-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées de Lyon (INSA Lyon), Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), Sorbonne Université (SU)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de la Santé et de la Recherche Médicale (INSERM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Paris Diderot - Paris 7 (UPD7), Ecole Superieure de Physique et de Chimie Industrielles de la Ville de Paris (ESPCI Paris), Université Paris sciences et lettres (PSL)-Université Paris sciences et lettres (PSL)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Lyon-Institut National des Sciences Appliquées (INSA)-Institut National des Sciences Appliquées (INSA), and Matière et Systèmes Complexes (MSC)
In a previous work, we have shown that a spatially localized transmembrane pH gradient, produced by acid micro-injection near the external side of cardiolipin-containing giant unilamellar vesicles, leads to the formation of tubules that retract after the dissipation of this gradient. These tubules have morphologies similar to mitochondrial cristae. The tubulation effect is due to direct phospholipid packing modification in the outer leaflet that is promoted by protonation of cardiolipin headgroups. Here we compare the case of cardiolipin-containing giant unilamellar vesicles with that of phosphatidylglycerol-containing giant unilamellar vesicles. Local acidification also promotes formation of tubules in the latter. However, compared to cardiolipin-containing giant unilamellar vesicles the tubules are longer, exhibit a visible pearling and have a much longer lifetime after acid micro-injection is stopped. We attribute these differences to an additional mechanism that increases monolayer surface imbalance, namely inward PG flip-flop promoted by the local transmembrane pH-gradient. Simulations using a fully non-linear membrane model as well as geometrical calculations are in agreement with this hypothesis. Interestingly, among yeast mutants deficient in cardiolipin biosynthesis, only the crd1-null mutant, which accumulates phosphatidylglycerol, displays significant mitochondrial activity. Our work provides a possible explanation of such a property and further emphasizes the salient role of specific lipids in mitochondrial function., 28 pages, 10 figures