Skip to main content

Journal for Biophysical Chemistry

Membrane-substrate interface: Phospholipid bilayers at chemically and topographically structured surfaces

Abstract

The surface-assisted fusion, rupture, and spreading of vesicles and hydration-induced spreading of lipids onto chemically and topographically structured surfaces gives rise to lipid structures useful for modeling many physical-chemical properties of lipid bilayers. Chemically structured surfaces produce a lipid structure revealing template-induced assembly of coexisting lipid phases, which reflect the underlying pattern of surface energy, wettability, and chemistry. In a construct derived using photochemically patterned molecular monolayers, the author found a spontaneous separation of fluid bilayer regions from the fluid monolayer regions by a controllable transition region or moat. The coexisting bilayer/monolayer morphologies derived from single vesicular sources are particularly attractive for the study of a range of leaflet-dependent biophysical phenomena and offer a new self-assembly strategy for synthesizing large-scale arrays of functional bilayer specific substructures including ion-channels and membrane-proteins. The uses of topologically patterned surfaces similarly provide new models to design complex three-dimensional membrane topographies and curvatures. These platforms promise fundamental biophysical studies of curvature-dependent membrane processes as well as useful bioanalytical devices for molecular separations within fluid amphiphilic membrane environments. Some future directions enabled by lipid self-assembly at structured surfaces are also discussed.

References

  1. 1

    E. Sackmann, Science 271, 43 (1996).

    CAS  Article  Google Scholar 

  2. 2

    M. Tanaka and E. Sackmann, Nature (London) 437, 656 (2005).

    CAS  Article  Google Scholar 

  3. 3

    E. T. Castellana and P. S. Cremer, Surf. Sci. Rep. 61, 429 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  4. 4

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

    CAS  Article  Google Scholar 

  5. 5

    G. Vereb, J. Szollosi, J. Matko, P. Nagy, T. Farkas, L. Vigh, L. Matyus, T. A. Waldmann, and S. Damjanovich, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 100, 8053 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  6. 6

    J. T. Groves and S. G. Boxer, Acc. Chem. Res. 35, 149 (2002); A. A. Brian and H. M. McConnell, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 81, 6159 (1984); H. M. McConnell, T. H. Watts, R. M. Weis, and A. A. Brian, Biochim. Biophys. Acta 864, 95 (1986); K. D. Mossman, G. Campi, J. T. Groves, and M. L. Dustin, Science 310, 1191 (2005).

    CAS  Article  Google Scholar 

  7. 7

    A. N. Parikh and J. T. Groves, MRS Bull. 31, 507 (2006); B. A. Cornell, V. L. B. Braach-Maksvytis, L. G. King, P. D. J. Osman, B. Raguse, L. Wieczorek, and R. J. Pace, Nature (London) 387, 580 (1997); H. M. Keizer, B. R. Dorvel, M. Andersson, D. Fine, R. B. Price, J. R. Long, A. Dodabalapur, I. Koper, W. Knoll, P. A. V. Anderson, and R. S. Duran, ChemBioChem 8, 1246 (2007).

    CAS  Article  Google Scholar 

  8. 8

    H. Bayley and P. S. Cremer, Nature (London) 413, 226 (2001); Y. Fang, A. G. Frutos, and J. Lahiri, J. Am. Chem. Soc. 124, 2394 (2002).

    CAS  Article  Google Scholar 

  9. 9

    P. S. Cremer and S. G. Boxer, J. Phys. Chem. B 103, 2554 (1999).

    CAS  Article  Google Scholar 

  10. 10

    I. Reviakine and A. Brisson, Langmuir 16, 1806 (2000).

    CAS  Article  Google Scholar 

  11. 11

    C. A. Keller, K. Glasmastar, V. P. Zhdanov, and B. Kasemo, Phys. Rev. Lett. 84, 5443 (2000).

    CAS  Article  Google Scholar 

  12. 12

    E. Kalb, S. Frey, and L. K. Tamm, Biochim. Biophys. Acta 1103, 307 (1992); L. K. Tamm and H. M. McConnell, Biophys. J. 47, 105 (1985).

    CAS  Article  Google Scholar 

  13. 13

    J. Nissen, S. Gritsch, G. Wiegand, and J. O. Radler, Eur. Phys. J. B 10, 335 (1999).

    CAS  Article  Google Scholar 

  14. 14

    J. Nissen, K. Jacobs, and J. O. Radler, Phys. Rev. Lett. 86, 1904 (2001).

    CAS  Article  Google Scholar 

  15. 15

    B. Sanii and A. N. Parikh, Soft Matter 3, 974 (2007).

    CAS  Article  Google Scholar 

  16. 16

    V. Kiessling and L. K. Tamm, Biophys. J. 84, 408 (2003); A. Lambacher and P. Fromherz, Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 63, 207 (1996); B. W. Koenig, S. Kruger, W. J. Orts, C. F. Majkrzak, N. F. Berk, J. V. Silverton, and K. Gawrisch, Langmuir 12, 1343 (1996); S. J. Johnson, T. M. Bayerl, D. C. McDermott, G. W. Adam, A. R. Rennie, R. K. Thomas, and E. Sackmann, Biophys. J. 59, 289 (1991); T. M. Bayerl and M. Bloom, ibid. 58, 357 (1990).

    CAS  Article  Google Scholar 

  17. 17

    R. J. White, B. Zhang, S. Daniel, J. M. Tang, E. N. Ervin, P. S. Cremer, and H. S. White, Langmuir 22, 10777 (2006); M. J. Higgins, M. Polcik, T. Fukuma, J. E. Sader, Y. Nakayama, and S. P. Jarvis, Biophys. J. 91, 2532 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  18. 18

    R. J. Mashl, S. Joseph, N. R. Aluru, and E. Jakobsson, Nano Lett. 3, 589 (2003); C. Boissiere, J. B. Brubach, A. Mermet, G. de Marzi, C. Bourgaux, E. Prouzet, and P. Roy, J. Phys. Chem. B 106, 1032 (2002); M. C. Bellissent-Funel, J. Phys.: Condens. Matter 13, 9165 (2001).

    CAS  Article  Google Scholar 

  19. 19

    R. P. Richter, N. Maury, and A. R. Brisson, Langmuir 21, 299 (2005); M. Kasbauer, M. Junglas, and T. M. Bayerl, Biophys. J. 76, 2600 (1999); M. Junglas, B. Danner, and T. M. Bayerl, Langmuir 19, 1914 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  20. 20

    M. C. Howland, A. R. Sapuri-Butti, S. S. Dixit, A. M. Dattelbaum, A. P. Shreve, and A. N. Parikh, J. Am. Chem. Soc. 127, 6752 (2005).

    CAS  Article  Google Scholar 

  21. 21

    P. Lenz, C. M. Ajo-Franklin, and S. G. Boxer, Langmuir 20, 11092 (2004).

    CAS  Article  Google Scholar 

  22. 22

    J. Schmitt, B. Danner, and T. M. Bayerl, Langmuir 17, 244 (2001); L. F. Zhang and S. Granick, J. Chem. Phys. 123, 211104 (2005); M. Hetzer, S. Heinz, S. Grage, and T. M. Bayerl, Langmuir 14, 982 (1998); R. Merkel, E. Sackmann, and E. Evans, J. Phys. 50, 1535 (1989).

    CAS  Article  Google Scholar 

  23. 23

    Z. V. Feng, T. A. Spurlin, and A. A. Gewirth, Biophys. J. 88, 2154 (2004); D. Keller, N. B. Larsen, I. M. Moller, and O. G. Mouritsen, Phys. Rev. Lett. 94, 025701 (2005); F. Tokumasu, A. J. Jin, and J. A. Dvorak, J. Electron Microsc. 51, 1 (2002).

    Article  Google Scholar 

  24. 24

    M. L. Wagner and L. K. Tamm, Biophys. J. 79, 1400 (2000); E. Sackmann and M. Tanaka, Trends Biotechnol. 18, 58 (2000); A. Graneli, J. Rydstrom, B. Kasemo, and F. Hook, Langmuir 19, 842 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  25. 25

    E. K. Sinner and W. Knoll, Curr. Opin. Chem. Biol. 5, 705 (2001); J. Spinke, J. Yang, H. Wolf, M. Liley, H. Ringsdorf, and W. Knoll, Biophys. J. 63, 1667 (1992); S. L. McArthur, M. W. Halter, V. Vogel, and D. G. Castner, Langmuir 19, 8316 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  26. 26

    M. Geissler and Y. N. Xia, Adv. Mater. 16, 1249 (2004).

    CAS  Article  Google Scholar 

  27. 27

    R. K. Smith, P. A. Lewis, and P. S. Weiss, Prog. Surf. Sci. 75, 1 (2004).

    CAS  Article  Google Scholar 

  28. 28

    A. T. A. Jenkins, R. J. Bushby, S. D. Evans, W. Knoll, A. Offenhausser, and S. D. Ogier, Langmuir 18, 3176 (2002); A. T. A. Jenkins, N. Boden, R. J. Bushby, S. D. Evans, P. F. Knowles, R. E. Miles, S. D. Ogier, H. Schonherr, and G. J. Vancso, J. Am. Chem. Soc. 121, 5274 (1999); X. J. Han, S. N. D. Pradeep, K. Critchley, K. Sheikh, R. J. Bushby, and S. D. Evans, Chem. Eur. J. 13, 7957 (2007); X. J. Han, K. Critchley, L. X. Zhang, S. N. D. Pradeep, R. J. Bushby, and S. D. Evans, Langmuir 23, 1354 (2007); C. Duschl, M. Liley, G. Corradin, and H. Vogel, Biophys. J. 67, 1229 (1994).

    CAS  Article  Google Scholar 

  29. 29

    A. L. Plant, M. Gueguetchkeri, and W. Yap, Biophys. J. 67, 1126 (1994).

    CAS  Article  Google Scholar 

  30. 30

    A. L. Plant, Langmuir 15, 5128 (1999).

    CAS  Article  Google Scholar 

  31. 31

    A. N. Parikh, J. D. Beers, A. P. Shreve, and B. I. Swanson, Langmuir 15, 5369 (1999).

    CAS  Article  Google Scholar 

  32. 32

    J. C. Love, L. A. Estroff, J. K. Kriebel, R. G. Nuzzo, and G. M. Whitesides, Chem. Rev. 105, 1103 (2005).

    CAS  Article  Google Scholar 

  33. 33

    Y. N. Xia and G. M. Whitesides, Annu. Rev. Mater. Sci. 28, 153 (1998).

    CAS  Article  Google Scholar 

  34. 34

    R. Lipowsky and U. Seifert, Mol. Cryst. Liq. Cryst. 202, 17 (1991); U. Seifert and R. Lipowsky, Phys. Rev. A 42, 4768 (1990); M. Twardowski and R. G. Nuzzo, Langmuir 19, 9781 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  35. 35

    V. I. Silin, H. Wieder, J. T. Woodward, G. Valincius, A. Offenhausser, and A. L. Plant, J. Am. Chem. Soc. 124, 14676 (2002).

    CAS  Article  Google Scholar 

  36. 36

    E. Reimhult, F. Hook, and B. Kasemo, Langmuir 19, 1681 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  37. 37

    J. Raedler, H. Strey, and E. Sackmann, Langmuir 11, 4539 (1995); J. B. Hubbard, V. Silin, and A. L. Plant, Biophys. Chem. 75, 163 (1998).

    CAS  Article  Google Scholar 

  38. 38

    P. Frantz and S. Granick, Langmuir 8, 1176 (1992).

    CAS  Article  Google Scholar 

  39. 39

    M. Ahlers, W. Muller, A. Reichert, H. Ringsdorf, and J. Venzmer, Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 29, 1269 (1990).

    Article  Google Scholar 

  40. 40

    P. S. Swain and D. Andelman, Langmuir 15, 8902 (1999); P. S. Swain and D. Andelman, Phys. Rev. E 63, 051911 (2001).

    CAS  Article  Google Scholar 

  41. 41

    J. M. Calvert, M. S. Chen, C. S. Dulcey, J. H. Georger, M. C. Peckerar, J. M. Schnur, and P. E. Schoen, J. Electrochem. Soc. 139, 1677 (1992).

    CAS  Article  Google Scholar 

  42. 42

    C. S. Dulcey, J. H. Georger, V. Krauthamer, D. A. Stenger, T. L. Fare, and J. M. Calvert, Science 252, 551 (1991).

    CAS  Article  Google Scholar 

  43. 43

    J. B. Brzoska, N. Shahidzadeh, and F. Rondelez, Nature (London) 360, 719 (1992); A. N. Parikh, D. L. Allara, I. B. Azouz, and F. Rondelez, J. Phys. Chem. 98, 7577 (1994).

    CAS  Article  Google Scholar 

  44. 44

    G. P. Lopez, H. A. Biebuyck, C. D. Frisbie, and G. M. Whitesides, Science 260, 647 (1993).

    CAS  Article  Google Scholar 

  45. 45

    D. Axelrod, D. E. Koppel, J. Schlessinger, E. Elson, and W. W. Webb, Biophys. J. 16, 1055 (1976).

    CAS  Article  Google Scholar 

  46. 46

    J. O. Radler, S. Radiman, A. Devallera, and C. Toprakcioglu, Physica B 156–157, 398 (1989).

    Article  Google Scholar 

  47. 47

    M. Deserno, J. Phys.: Condens. Matter 16, S2061 (2004).

    Article  Google Scholar 

  48. 48

    J. Zimmerberg and L. V. Chernomordik, Adv. Drug Deliv. Rev. 38, 197 (1999); F. S. Cohen and G. B. Melikyan, J. Membr. Biol. 199, 1 (2004); H. Garoff, R. Hewson, and D. J. E. Opstelten, Microbiol. Mol. Biol. Rev. 62, 1171 (1998).

    CAS  Article  Google Scholar 

  49. 49

    A. Boulbitch, Europhys. Lett. 59, 910 (2002); C. Tordeux and J. B. Fournier, Langmuir 16, 2991 (2000).

    CAS  Article  Google Scholar 

  50. 50

    I. Koltover, J. O. Radler, and C. R. Safinya, Phys. Rev. Lett. 82, 1991 (1999); C. Dietrich, M. Angelova, and B. Pouligny, J. Phys. II 7, 1651 (1997).

    CAS  Article  Google Scholar 

  51. 51

    U. Seifert, Adv. Phys. 46, 13 (1997).

    CAS  Article  Google Scholar 

  52. 52

    M. B. Schneider, J. T. Jenkins, and W. W. Webb, J. Phys. 45, 1457 (1984).

    CAS  Article  Google Scholar 

  53. 53

    P. Girard, J. Prost, and P. Bassereau, Phys. Rev. Lett. 94, 088102 (2005);

    CAS  Article  Google Scholar 

  54. 54

    J. D. Cortese, B. Schwab, C. Frieden, and E. L. Elson, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 86, 5773 (1989).

    CAS  Article  Google Scholar 

  55. 54

    S. S. Dixit, A. Szmodis, and A. N. Parikh, ChemPhysChem 7, 1678 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  56. 55

    M. Deserno and T. Bickel, Europhys. Lett. 62, 767 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  57. 56

    T. H. Yang, C. K. Yee, M. L. Amweg, S. Singh, E. L. Kendall, A. M. Dattelbaum, A. P. Shreve, C. J. Brinker, and A. N. Parikh, Nano Lett. 7, 2446 (2007).

    CAS  Article  Google Scholar 

  58. 57

    G. A. Woolley and B. A. Wallace, J. Membr. Biol. 129, 109 (1992).

    CAS  Google Scholar 

  59. 58

    G. Wirnsberger, B. J. Scott, and G. D. Stucky, Chem. Commun. Cambridge 2001, 119 (2001).

    Article  Google Scholar 

  60. 59

    A. M. Dattelbaum, M. L. Amweg, L. E. Ecke, C. K. Yee, A. P. Shreve, and A. N. Parikh, Nano Lett. 3, 719 (2003).

    CAS  Article  Google Scholar 

  61. 60

    M. A. Meitl, Z. T. Zhu, V. Kumar, K. J. Lee, X. Feng, Y. Y. Huang, I. Adesida, R. G. Nuzzo, and J. A. Rogers, Nat. Mater. 5, 33 (2006); R. J. Jackman, S. T. Brittain, A. Adams, M. G. Prentiss, and G. M. Whitesides, Science 280, 2089 (1998).

    CAS  Article  Google Scholar 

  62. 61

    J. T. Groves, Annu. Rev. Phys. Chem. 58, 697 (2007).

    CAS  Article  Google Scholar 

  63. 62

    R. Parthasarathy and J. T. Groves, Soft Matter 3, 24 (2007).

    CAS  Article  Google Scholar 

  64. 63

    R. Parthasarathy, C. H. Yu, and J. T. Groves, Langmuir 22, 5095 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  65. 64

    J. Huang, M. Juszkiewicz, W. H. de Jeu, E. Cerda, T. Emrick, N. Menon, and T. P. Russell, Science 317, 650 (2007); E. Cerda and L. Mahadevan, Phys. Rev. Lett. 90, 074302 (2003); N. Bowden, W. T. S. Huck, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Appl. Phys. Lett. 75, 2557 (1999).

    CAS  Article  Google Scholar 

  66. 65

    K. Efimenko, M. Rackaitis, E. Manias, A. Vaziri, L. Mahadevan, and J. Genzer, Nat. Mater. 4, 293 (2005).

    CAS  Article  Google Scholar 

  67. 66

    K. Efimenko, W. E. Wallace, and J. Genzer, J. Colloid Interface Sci. 254, 306 (2002).

    CAS  Article  Google Scholar 

  68. 67

    N. Bowden, S. Brittain, A. G. Evans, J. W. Hutchinson, and G. M. Whitesides, Nature (London) 393, 146 (1998).

    CAS  Article  Google Scholar 

  69. 68

    N. Bowden, W. T. S. Huck, K. E. Paul, and G. M. Whitesides, Appl. Phys. Lett. 75, 2557 (1999).

    CAS  Article  Google Scholar 

  70. 69

    B. Sanii, A. M. Smith, R. Butti, A. M. Brozell, and A. N. Parikh submitted.

  71. 70

    V. L. Colvin, MRS Bull. 26, 637 2001); P. Jiang, J. F. Bertone, K. S. Hwang, and V. L. Colvin, Chem. Mater. 11, 2132 (1999); A. Blanco, E. Chomski, S. Grabtchak, M. Ibisate, S. John, S. W. Leonard, C. Lopez, F. Meseguer, H. Miguez, J. P. Mondia, G. A. Ozin, O. Toader, and H. M. van Driel, Nature (London) 405, 437 (2000).

    CAS  Article  Google Scholar 

  72. 71

    Y. D. Yin, Y. Lu, B. Gates, and Y. N. Xia, J. Am. Chem. Soc. 123, 8718 (2001).

    CAS  Article  Google Scholar 

  73. 72

    S. H. Park, D. Qin, and Y. Xia, Adv. Mater. 10, 1028 (1998).

    CAS  Article  Google Scholar 

  74. 73

    A. M. Brozell, M. A. Muha, and A. N. Parikh, Langmuir 21, 11588 (2005).

    CAS  Article  Google Scholar 

  75. 74

    S. C. Glotzer and M. J. Solomon, Nat. Mater. 6, 557 (2007); H. Y. Chen, J. M. Rouillard, E. Gulari, and J. Lahann, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 104, 11173 (2007); S. Venkatesh, P. Jiang, and B. Jiang, Langmuir 23, 8231 (2007).

    Article  Google Scholar 

  76. 75

    A. M. Brozell, M. A. Muha, B. Sanii, and A. N. Parikh, J. Am. Chem. Soc. 128, 62 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  77. 76

    M. Hamm and M. M. Kozlov, Eur. Phys. J. E 3, 323 (2000); T. R. Weikl, D. Andelman, S. Komura, and R. Lipowsky, ibid. 8, 59 (2002).

    CAS  Article  Google Scholar 

  78. 77

    A. Boulbitch, Europhys. Lett. 59, 910 (2002).

    CAS  Article  Google Scholar 

  79. 78

    T. Y. Yoon, C. Jeong, S. W. Lee, J. H. Kim, M. C. Choi, S. J. Kim, M. W. Kim, and S. D. Lee, Nat. Mater. 5, 281 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  80. 79

    H. T. McMahon and J. L. Gallop, Nature (London) 438, 590 (2005); J. Zimmerberg and M. M. Kozlov, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 9 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  81. 80

    V. Vogel and M. Sheetz, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 7, 265 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  82. 81

    I. R. Cooke and M. Deserno, Biophys. J. 91, 487 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  83. 82

    T. J. McIntosh, Chem. Phys. Lipids 81, 117 (1996); L. Chernomordik, ibid. 81, 203 (1996); S. M. Gruner, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 82, 3665 (1985).

    CAS  Article  Google Scholar 

  84. 83

    C. Hamai, T. L. Yang, S. Kataoka, P. S. Cremer, and S. M. Musser, Biophys. J. 90, 1241 (2006).

    CAS  Article  Google Scholar 

  85. 84

    R. M. Epand, Biochim. Biophys. Acta 1376, 353 (1998); B. deKruijff, Nature (London) 386, 129 (1997); I. Simidjiev, S. Stoylova, H. Amenitsch, T. Javorfi, L. Mustardy, P. Laggner, A. Holzenburg, and G. Garab, Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 97, 1473 (2000); K. C. Huang, R. Mukhopadhyay, and N. S. Wingreen, PLoS Comput. Biol. 2, e151 (2006).

    CAS  Google Scholar 

  86. 85

    M. C. Giocondi, L. Pacheco, P. E. Milhiet, and C. Le Grimellec, Ultramicroscopy 86, 151 (2001); T. Heimburg, Biophys. J. 78, 1154 (2000).

    CAS  Article  Google Scholar 

  87. 86

    W. B. Huttner and J. Zimmerberg, Curr. Opin. Cell Biol. 13, 478 (2001).

    CAS  Article  Google Scholar 

  88. 87

    W. H. Binder, V. Barragan, and F. M. Menger, Angew. Chem. Int. Ed. 42, 5802 (2003); K. Simons and E. Ikonen, Nature (London) 387, 569 (1997).

    CAS  Article  Google Scholar 

  89. 88

    K. Simons and W. L. C. Vaz, Annu. Rev. Biophys. Biomol. Struct. 33, 269 (2004).

    CAS  Article  Google Scholar 

  90. 89

    S. A. Akimov, P. I. Kuzmin, J. Zimmerberg, and F. S. Cohen, Phys. Rev. E 75, 011919 (2007).

    Article  Google Scholar 

  91. 90

    A. G. Lee, Curr. Biol. 10, R377 (2000).

    CAS  Article  Google Scholar 

Download references

Author information

Affiliations

Authors

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Cite this article

Parikha, A.N. Membrane-substrate interface: Phospholipid bilayers at chemically and topographically structured surfaces. Biointerphases 3, FA22–FA32 (2008). https://doi.org/10.1116/1.2889055

Download citation