Experimental measurement of the activation energy of lipid membrane fusion
Mesure expérimentale de l’énergie d’activation de la fusion de membranes lipidiques
Résumé
In vivo, membrane fusion must not occur spontaneously. Thus, membrane fusion requires
a large activation energy that is overcome through the action of multiple proteins.
Even though biological fusion is very complex, it results in the coalescence of both lipid bilayers
that constitute the cores of the involved membranes. Therefore, the activation energy
that is necessary to disrupt the leaflet arrangement during lipid bilayer fusion should be
similar to that of in vivo membrane fusion. In order to approach biological membrane fusion’s
activation energy, we developed an experimental protocol which allows determining
the activation energy and the Arrhenius factor of the reaction, thanks to Arrhenius’ law.
The relative areas occupied by the polar head and hydrophobic tails of a lipid confers to
it a preferential curvature, called spontaneous curvature. Investigating membranes with
several lipid compositions, I found that a mismatch between the membrane curvature and
the spontaneous curvature of the lipid affects both the Arrhenius factor and the activation
energy. A more negative curvature generates more hydrophobic defects in the “flat”
membrane which leads to an increase in the frequency of fusion nucleation, i.e. a larger Arrhenius
factor. During the fusion process, membrane shapes are modified and adopt large
positive and negative curvatures, each leaflet having opposite curvatures. A mismatch between
the spontaneous curvature of the lipid and the one it should adopt in order for fusion
to proceed can inhibit the process of fusion, i.e increase its activation energy.
In vivo, la fusion membranaire ne doit pas avoir lieu spontanément. C’est pourquoi ce
processus présente une barrière énergétique conséquente qui est surmontée grâce à l’action
de multiples protéines. Même si la fusion biologique est très complexe, son résultat est la
coalescence des deux bicouches lipidiques qui forment la matrice des membranes impliquées.
L’énergie nécessaire à la perturbation de l’arrangement en bicouche lors de leur fusion doit
donc être semblable à celle intervenant dans la fusion biologique. Dans le but d’estimer
l’énergie d’activation de la fusion biologique, nous avons établi un protocole expérimental
permettant de déterminer l’énergie d’activation et le facteur d’Arrhenius de la réaction,
grâce à la loi d’Arrhenius. Les surfaces relatives occupées par la tête polaire et les queues
hydrophobes d’un lipide lui confèrent une courbure préférentielle, dite courbure spontanée.
En étudiant des membranes présentant des compositions lipidiques diverses, j’ai montré
qu’une inadéquation entre la courbure de la membrane et la courbure spontanée du lipide
affectait à la fois le facteur d’Arrhenius et l’énergie d’activation. Une courbure plus négative
génère plus de défauts à la surface de la membrane « plate », ce qui augmente la fréquence
de la nucléation de la fusion et accroît le facteur d’Arrhenius. Au cours du processus de
fusion, la géométrie des membranes est modifiée et celle-ci présente de régions de fortes
courbures. Une inadéquation entre la courbure spontanée du lipide et celle qu’il devrait
adopter pour que la fusion soit accomplie peut inhiber la fusion et donc faire augmenter
l’énergie d’activation.
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