Skip to main content

Journal for Biophysical Chemistry

Structure from substrate supported lipid bilayers (Review)

Abstract

Highly aligned, substrate supported membranes have made it possible for physical techniques to extract unambiguous structural information previously not accessible from commonly available membrane dispersions, or so-called powder samples. This review will highlight some of the major breakthroughs in model membrane research that have taken place as a result of substrate supported samples.

References

  1. G. S. Smith, E. B. Sirota, C. R. Safinya, and N. A. Clark, Phys. Rev. Lett. 60, 813 (1988).

    Article  CAS  Google Scholar 

  2. J. Katsaras, D. S.-C. Yang, and R. M. Epand, Biophys. J. 63, 1170 (1992).

    Article  CAS  Google Scholar 

  3. M. C. Wiener and S. H. White, Biophys. J. 61, 434 (1992).

    Article  CAS  Google Scholar 

  4. J. Katsaras, J. Phys. Chem. 99, 4141 (1995).

    Article  CAS  Google Scholar 

  5. J. Katsaras and V. A. Raghunathan, Phys. Rev. Lett. 74, 2022 (1995).

    Article  CAS  Google Scholar 

  6. V. A. Raghunathan and J. Katsaras, Phys. Rev. Lett. 74, 4456 (1995).

    Article  CAS  Google Scholar 

  7. J. Katsaras, V. A. Raghunathan, E. J. Dufourc, and J. Dufourcq, Biochemistry 34, 4684 (1995).

    Article  CAS  Google Scholar 

  8. J. Katsaras, R. L. Donaberger, I. P. Swainson, D. C. Tennant, Z. Tun, R. R. Vold, and R. S. Prosser, Phys. Rev. Lett. 78, 899 (1997).

    Article  CAS  Google Scholar 

  9. J. Katsaras, S. Tristram-Nagle, Y. Liu, R. L. Headrick, E. Fontes, P. C. Mason, and J. F. Nagle, Phys. Rev. E 61, 5668 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  10. L. Yang, T. M. Weiss, and H. W. Huang, Biophys. J. 79, 2002 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  11. Y. Lyatskaya, Y. Liu, S. Tristram-Nagle, J. Katsaras, and J. F. Nagle, Phys. Rev. E 63, 011907 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  12. L. Yang and H. W. Huang, Science 297, 1877 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  13. N. Kučerka, Y. Liu, N. Chu, H. I. Petrache, S. Tristram-Nagle, and J. F. Nagle, Biophys. J. 88, 2626 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  14. J. Torbet and M. H. F. Wilkins, J. Theor. Biol. 62, 447 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  15. W. MacNaughtan, K. A. Snook, E. Caspi, and N. P. Franks, Biochim. Biophys. Acta 818, 132 (1985).

    Article  CAS  Google Scholar 

  16. T. Charitat, E. Bellet-Amalric, G. Fragneto, and F. Graner, Eur. Phys. J. B 8, 583 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  17. G. Fragneto, T. Charitat, E. Bellet-Amalric, R. Cubitt, and F. Graner, Langmuir 19, 7695 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  18. J. Daillant, E. Bellet-Amalric, A. Braslau, T. Charitat, G. Fragneto, F. Graner, S. Mora, F. Rieutord, and B. Stidder, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 102, 11639 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  19. N. A. Clark, K. J. Rothschild, D. A. Luippold, and B. A. Simon, Biophys. J. 31, 65 (1980).

    Article  CAS  Google Scholar 

  20. T. L. Kuhl, J. Majewski, J. Y. Wong, S. Steinberg, D. E. Leckband, J. N. Israelachvili, and G. S. Smith, Biophys. J. 75, 2352 (1998).

    Article  CAS  Google Scholar 

  21. Y. Zhang, Z. Tun, and A. M. Ritchey, Langmuir 20, 6187 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  22. C. F. Majkrzak, N. F. Berk, S. Krueger, and U. A. Perez-Salas, in Neutron Scattering in Biology: Techniques and Applications, edited by J. Fitter, T. Gutberlet, and J. Katsaras (Springer, Berlin, 2006), pp. 225–263.

    Chapter  Google Scholar 

  23. T. Gutberlet and M. Lösche, in Neutron Scattering in Biology: Techniques and Applications, edited by J. Fitter, T. Gutberlet, and J. Katsaras (Springer, Berlin), 2006, pp. 283–306.

    Chapter  Google Scholar 

  24. R. P. Rand and V. A. Parsegian, Biochim. Biophys. Acta 988, 351 (1989).

    CAS  Google Scholar 

  25. G. L. Jendrasiak and J. H. Hasty, Biochim. Biophys. Acta 337, 79 (1974).

    CAS  Google Scholar 

  26. G. L. Jendrasiak and J. C. Mendible, Biochim. Biophys. Acta 424, 140 (1976).

    Google Scholar 

  27. L. Powers and P. S. Pershan, Biophys. J. 20, 137 (1977).

    Article  CAS  Google Scholar 

  28. C. Morrison, Biophys. J. 64, 1063 (1993).

    Article  CAS  Google Scholar 

  29. S. Tristram-Nagle, R. Zhang, R. M. Suter, C. R. Worthington, W.-J. Sun, and J. F. Nagle, Biophys. J. 64, 1097 (1993).

    Article  CAS  Google Scholar 

  30. W. Helfrich, Z. Naturforsch C 33A, 305 (1978).

    CAS  Google Scholar 

  31. E. Evans and V. A. Parsegian, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 83, 7132 (1986).

    Article  CAS  Google Scholar 

  32. R. Podgornik and V. A. Parsegian, Biophys. J. 72, 942 (1997).

    Article  CAS  Google Scholar 

  33. S. Tristram-Nagle, H. I. Petrache, R. M. Suter, and J. F. Nagle, Biophys. J. 74, 1421 (1998).

    Article  CAS  Google Scholar 

  34. J. Katsaras, Biophys. J. 73, 2924 (1997).

    Article  CAS  Google Scholar 

  35. J. Katsaras and V. A. Raghunathan, in Lipid Bilayers: Structure and Interactions, edited by J. Katsaras and T. Gutberlet (Springer, Berlin, 2000), pp. 25–45.

    Google Scholar 

  36. S. C. Chen, J. M. Sturtevant, and B. J. Gaffney, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 77, 5060 (1980).

    Article  CAS  Google Scholar 

  37. J. Katsaras, Biophys. J. 75, 2157 (1998).

    Article  CAS  Google Scholar 

  38. G. Pabst, J. Katsaras, and V. A. Raghunathan, Phys. Rev. Lett. 88, 128101 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  39. D. Constantin, U. Mennicke, C. Li, and T. Salditt, Eur. Phys. J. E 12, 283 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  40. B. R. Copeland and H. M. McConnel, Biochim. Biophys. Acta 599, 95 (1980).

    Article  CAS  Google Scholar 

  41. H. W. Meyer, B. Dobner, and K. Semmler, Chem. Phys. Lipids 82, 179 (1996).

    Article  CAS  Google Scholar 

  42. J. T. Woodward and J. A. Zasadzinski, Biophys. J. 72, 964 (1997).

    Article  CAS  Google Scholar 

  43. A. Tardieu, V. Luzzati, and F. C. Reman, J. Mol. Biol. 75, 711 (1973).

    Article  CAS  Google Scholar 

  44. M. J. Janiak, D. M. Small, and G. G. Shipley, Biochemistry 15, 4575 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  45. D. C. Wack and W. W. Webb, Phys. Rev. A 40, 2712 (1989).

    Article  CAS  Google Scholar 

  46. B. G. Tenchov, H. Yao, and I. Hatta, Biophys. J. 56, 757 (1989).

    Article  CAS  Google Scholar 

  47. M. P. Hentschel and F. Rustichelli, Phys. Rev. Lett. 66, 903 (1991).

    Article  CAS  Google Scholar 

  48. H. Yao, S. Matuoka, B. Tenchov, and I. Hatta, Biophys. J. 59, 252 (1991).

    Article  CAS  Google Scholar 

  49. S. Matuoka, H. Yao, S. Kato, and I. Hatta, Biophys. J. 64, 1456 (1993).

    Article  CAS  Google Scholar 

  50. M. Rappolt and G. Rapp, Eur. Biophys. J. 24, 381 (1996).

    Article  CAS  Google Scholar 

  51. W.-J. Sun, S. Tristram-Nagle, R. M. Suter, and J. F. Nagle, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 93, 7008 (1996).

    Article  CAS  Google Scholar 

  52. J. A. N. Zasadzinski, Biochim. Biophys. Acta 946, 235 (1988).

    Article  CAS  Google Scholar 

  53. P. C. Mason, B. D. Gaulin, R. M. Epand, G. D. Wignall, and J. S. Lin, Phys. Rev. E 59, 921 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  54. G. Pabst, J. Katsaras, V. A. Raghunathan, and M. Rappolt, Langmuir 19, 1716 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  55. A. Caillé, C. R. Seances Acad. Sci., Ser. B 274, 891 (1972).

    Google Scholar 

  56. N. Chu, N. Kučerka, Y. Liu, S. Tristram-Nagle, and J. F. Nagle, Phys. Rev. E 71, 041904 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  57. Y. Liu and J. F. Nagle, Phys. Rev. E 69, 040901R (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  58. G. Brotons, L. Belloni, T. Zemb, and T. Salditt, Europhys. Lett. 75, 992 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  59. H. I. Petrache, S. Tristram-Nagle, D. Harries, N. Kučerka, J. F. Nagle, and V. A. Parsegian, J. Lipid Res. 47, 302 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  60. J. Pan, S. Tristram-Nagle, and J. F. Nagle, Biophys. J. 94, 117 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  61. G. Pabst, M. Rappolt, H. Amenitsch, and P. Laggner, Phys. Rev. E 62, 4000 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  62. G. Fragneto, T. Charitat, F. Graner, K. Mecke, L. Perino-Gallice, and E. Bellet-Amalric, Europhys. Lett. 53, 100 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  63. J. Katsaras and R. H. Stinson, Biophys. J. 57, 649 (1990).

    Article  CAS  Google Scholar 

  64. J. Katsaras, R. H. Stinson, J. H. Davis, and E. J. Kendall, Biophys. J. 59, 645 (1991).

    Article  CAS  Google Scholar 

  65. A. Léonard, C. Escrive, M. Laguerre, E. Pebay-Peyroula, W. Néri, T. Pott, J. Katsaras, and E. J. Dufourc, Langmuir 17, 2019 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  66. T. A. Harroun, J. Katsaras, and S. R. Wassall, Biochemistry 45, 1227 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  67. K. He, S. J. Ludtke, D. L. Worcester, and H. W. Huang, Biophys. J. 70, 2659 (1996).

    Article  CAS  Google Scholar 

  68. L. Yang, T. M. Weiss, T. A. Harroun, W. T. Heller and H. W. Huang, Biophys. J. 77, 2648 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  69. J. P. Bradshaw, M. J. M. Darkes, T. A. Harroun, J. Katsaras and R. M. Epand, Biochemistry 39, 6581 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  70. J. Strzalka, X. Chen, C. C. Moser, P. L. Dutton, B. M. Ocko, and J. K. Blasie, Langmuir 16, 10404 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  71. L. Yang, T. A. Harroun, T. M. Weiss, L. Ding, and H. W. Huang, Biophys. J. 81, 1475 (2001).

    Article  Google Scholar 

  72. K. Hristova, C. E. Dempsey, and S. H. White, Biophys. J. 80, 801 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  73. S. Dante, T. Hauss, and N. A. Dencher, Biochemistry 42, 13667 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  74. D. Huster, A. Vogel, C. Katzka, H. A. Scheidt, H. Binder, O. Zschörnig, S. Dante, T. Gutberlet, H. Waldmann, and K. Arnold, J. Am. Chem. Soc. 125, 4070 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  75. J. Strzalka, E. DiMasi, I. Kuzmenko, T. Gog, and J. K. Blasie, Phys. Rev. E 70, 051603 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  76. C. Li and T. Salditt, Biophys. J. 91, 3285 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  77. P. L. Yeagle, in Cholesterol in Membrane Models, edited by L. Finegold (CRC, Boca Raton, FL, 1993), pp. 1–12.

    Google Scholar 

  78. L. L. Smith, Free Radic Biol. Med. 11, 47 (1991).

    Article  CAS  Google Scholar 

  79. R. J. Petrie, P. P. M. Schnetkamp, K. D. Patel, M. Awasthi-Kalia, and J. P.A. Deans, J. Immunol. 165, 1220 (2000).

    CAS  Google Scholar 

  80. A. Papanikolaou, A. Papafotika, C. Murphy, T. Papamarcaki, O. Tsolas, M. Drab, T. V. Kurzchalia, M. Kasper, and S. Christoforidis, J. Biol. Chem. 280, 26406 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  81. T. H. Haines, Prog. Lipid Res. 40, 299 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  82. M. R. Brzustowicz, W. Stillwell, and S. R. Wassall, FEBS Lett. 451, 197 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  83. S. L. Niu and B. J. Litman, Biophys. J. 83, 3408 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  84. M. R. Brzustowicz, V. Cherezov, M. Zerouga, M. Caffrey, W. Stillwell, and S. R. Wassall, Biochemistry 41, 12509 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  85. M. R. Brzustowicz, V. Cherezov, M. Caffrey, W. Stillwell, and S. R. Wassall, Biophys. J. 82, 285 (2002).

    Article  CAS  Google Scholar 

  86. M. C. Pitman, F. Suits, A. D. MacKerell, Jr., and S. E. Feller, Biochemistry 43, 15318 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  87. J. R. Silvius, Biochim. Biophys. Acta 1610, 174 (2003).

    Article  CAS  Google Scholar 

  88. K. Simons and E. Ikonen, Nature London 387, 569 (1997).

    Article  CAS  Google Scholar 

  89. D. A. Brown and E. London, J. Biol. Chem. 275, 17221 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  90. L. J. Pike, J. Lipid Res. 47, 1597 (2006).

    Article  CAS  Google Scholar 

  91. S. R. Wassall, M. R. Brzustowicz, S. R. Shaikh, V. Cherezov, M. Caffrey, and W. Stillwell, Chem. Phys. Lipids 132, 79 (2004).

    CAS  Google Scholar 

  92. T. A. Harroun, J. Katsaras, and S. R. Wassall, Biochemistry 47, 7090 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  93. N. P. Franks, J. Mol. Biol. 100, 345 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  94. D. L. Worcester and N. P. Franks, J. Mol. Biol. 100, 359 (1976).

    Article  CAS  Google Scholar 

  95. S. R. Shaikh, A. C. Dumaual, A. Castillo, D. LoCascio, R. A. Siddiqui, W. Stillwell, and S. R. Wassall, Biophys. J. 87, 1752 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  96. W. Stillwell, S. R. Shaikh, M. Zerouga, R. Siddiqui, and S. R. Wassall, Reprod. Nutr. Dev. 45, 559 (2005).

    Article  CAS  Google Scholar 

  97. S. J. Marrink, A. H. de Vries, T. A. Harroun, J. Katsaras, and S. R. Wassall, J. Am. Chem. Soc. 130, 10 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  98. N. Kučerka, J. D. Perlmutter, J. Pan, S. Tristram-Nagle, J. Katsaras, and J. N. Sachs, Biophys. J. 95, 2792 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  99. H. R. Knapp, F. Hullin, and N. Salem, Jr., J. Lipid Res. 35, 1283 (1994).

    CAS  Google Scholar 

  100. W. D. Sweet and F. Schroeder, FEBS Lett. 229, 188 (1988).

    Article  CAS  Google Scholar 

  101. S. Snyder, D. Kim, and T. J. McIntosh, Biochemistry 38, 10758 (1999).

    Article  CAS  Google Scholar 

  102. T. Abraham, S. R. Schooling, M.-P. Nieh, N. Kučerka, T. J. Beveridge, and J. Katsaras, J. Phys. Chem. B 111, 2477 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  103. N. Kučerka, M.-P Nieh, T. A. Harroun, S. R. Schooling, E. Pappne-Szabo, J. Pencer, E. A. Nicholson, T. J. Beveridge, and J. Katsaras, J. Phys. Chem. B 112, 8057 (2008).

    Article  CAS  Google Scholar 

  104. S. Chen, C. Liao, H. Huang, T. Weiss, M. Bellissent-Funel, and F. Sette, Phys. Rev. Lett. 86, 740 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  105. M. C. Rheinstädter, C. Ollinger, G. Fragneto, and T. Salditt, Physica B (Amsterdam) 350, 136 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  106. G. Fragneto and M. Rheinstädter, C. R. Phys. 8, 865 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  107. S. König, T. M. Bayerl, G. Coddens, D. Richter, and E. Sackmann, Biophys. J. 68, 1871 (1995).

    Article  Google Scholar 

  108. W. Pfeiffer, S. Konig, J. F. Legrand, T. Bayerl, D. Richter, and E. Sackmann, Europhys. Lett. 23, 457 (1993).

    Article  CAS  Google Scholar 

  109. M. C. Rheinstädter, C. Ollinger, G. Fragneto, F. Demmel, and T. Salditt, Phys. Rev. Lett. 93, 108107 (2004).

    Article  CAS  Google Scholar 

  110. M. Tarek, D. J. Tobias, S.-H. Chen, and M. L. Klein, Phys. Rev. Lett. 87, 238101 (2001).

    Article  CAS  Google Scholar 

  111. J. S. Hub, T. Salditt, M. C. Rheinstädter, and B. L. deGroot, Biophys. J. 93, 3156 (2007).

    Article  CAS  Google Scholar 

  112. E. Sackmann and M. Tanaka, Trends Biotechnol. 18, 58 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  113. W. Knoll, C. W. Frank, C. Heibel, R. Naumann, A. Offenhausser, J. Ruhe, E. K. Schmidt, W. W. Shen, and A. Sinner, Rev. Mol. Biotechnol. 74, 137 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  114. T. Hianik, Rev. Mol. Biotechnol. 74, 189 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  115. S. G. Boxer, Curr. Opin. Chem. Biol. 4, 704 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

  116. B. Bechinger, Curr. Opin. Chem. Biol. 4, 639 (2000).

    Article  CAS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to John Katsaras.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Cite this article

Katsaras, J., Kučerka, N. & Nieh, MP. Structure from substrate supported lipid bilayers (Review). Biointerphases 3, FB55–FB63 (2008). https://doi.org/10.1116/1.2992133

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1116/1.2992133