The negative charge of the plasma membrane (PM) severely affects the nature of moieties that may enter or leave the cells and controls a large number of ion-interaction-mediated intracellular and extracellular events. In this letter, we report our discovery of a most fascinating scenario, where one interface (e.g., membrane-cytosol interface) of the negatively charged PM shows a positive surface (or ζ) potential, while the other interface (e.g., membrane-electrolyte interface) still shows a negative ζ potential. Therefore, we encounter a completely unexpected situation where an interface (e.g., membrane-cytosol interface) that has a negative surface charge density demonstrates a positive ζ potential. We establish that the attainment of such a property by the membrane can be ascribed to an interplay of the nature of the membrane semi-permeability and the electrostatics of the electric double layer established on either side of the charged membrane. We anticipate that such a membrane property can lead to such capabilities of the cell (in terms of accepting or releasing certain kinds of moieties as well regulating cellular signaling) that was hitherto inconceivable.

2.
E. D.
Korn
,
J. Gen. Physiol.
52
,
257
(
1968
).
3.
B.
Neumcke
and
P.
Läuger
,
Biophys. J.
9
,
1160
(
1969
).
4.
R. S.
Weinstein
,
N. Engl. J. Med.
281
,
86
(
1969
).
6.
J. M.
Besterman
and
R. B.
Low
,
Biochem. J.
210
,
1
(
1983
).
7.
N. W.
Andrews
,
P. E.
Almeida
, and
M.
Corrotte
,
Trends Cell Biol.
24
,
734
(
2014
).
8.
J.
Grove
and
M.
Marsh
,
J. Cell Biol.
195
,
1071
(
2011
).
9.
C. A.
Lamb
,
H. C.
Dooley
, and
S. A.
Tooze
,
Bioessays
35
,
34
(
2012
).
12.
W. A.
Catterall
,
Science
242
,
4875
(
1988
).
13.
F.
Sachs
,
Mol. Cell Biochem.
104
,
57
(
1991
).
14.
15.
V. S.
Vaidyanathan
,
J. Electroanal. Chem.
104
,
599
(
1979
).
16.
V. S.
Vaidyanathan
,
Colloids Surf.
6
,
291
(
1983
).
17.
O. I.
Vinogradova
,
L.
Bocquet
,
A. N.
Bogdanov
,
R.
Tsekov
, and
V.
Lobaskin
,
J. Chem. Phys.
136
,
034902
(
2012
).
18.
S. R.
Maduar
and
O. I.
Vinogradova
,
J. Chem. Phys.
141
,
074902
(
2014
).
19.
S. R.
Maduar
and
O. I.
Vinogradova
,
J. Chem. Phys.
145
,
164703
(
2016
).
20.
S. R.
Maduar
,
V.
Lobaskin
, and
O. I.
Vinogradova
,
Faraday Discuss.
166
,
317
(
2013
).
21.
S.
Sinha
,
H.
Jing
, and
S.
Das
,
J. Membr. Sci.
533
,
364
(
2017
).
23.
H. J.
Knot
and
M. T.
Nelson
,
J. Physiol.
508
,
199
(
1998
).
24.
P.
Gilon
and
J.-C.
Henquin
,
J. Biol. Chem.
267
,
20713
(
1992
).
27.
G. S. B.
Williams
,
L.
Boyman
,
A. C.
Chikando
,
R. J.
Khairallah
, and
W. J.
Lederer
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A.
110
,
10479
(
2013
).
28.
D. R.
Green
and
G.
Kroemer
,
Science
305
,
626
(
2004
).
29.
J. H.
Lakey
and
M.
Ptak
,
Biochemistry
27
,
4639
(
1988
).
30.
M. G.
Shapiro
,
K.
Homma
,
S.
Villarreal
,
C.-P.
Richter
, and
F.
Bezanilla
,
Nat. Commun.
3
,
736
(
2012
).
31.
G.
Molnr
,
M.
Fendrych
, and
J.
Friml
,
Nat. Plants
2
,
1
(
2016
).
32.
D.
Li
,
J.
Xie
,
T.
Zhao
,
A.
Xia
,
D.
Li
, and
Y.
Gong
,
Biochim. Biophys. Acta
1608
,
114
(
2004
).
33.
P.
Wang
,
D.
Zhou
,
T. B.
Kinraide
,
X.
Luo
,
L.
Li
,
D.
Li
, and
H.
Zhang
,
Plant Physiol.
148
,
2134
(
2008
).
34.
P.
Wang
,
T. B.
Kinraide
,
D.
Zhou
,
P. M.
Kopittke
, and
W. J. G. M.
Peijnenburg
,
Plant Physiol.
155
,
808
(
2011
).
35.
S.
Genet
,
R.
Costalat
, and
J.
Burger
,
Biophys. J.
81
,
2442
(
2001
).
36.
L. J.
Clark
,
L. S.
Chan
,
D. R.
Powars
, and
R. F.
Baker
,
Blood
57
,
675
(
1981
).
37.
N.
Ben-Tal
,
B.
Honig
,
C.
Miller
, and
S.
McLaughlin
,
Biophys. J.
73
,
1717
(
1997
).
38.
W. D.
Heo
,
T.
Inoue
,
W. S.
Park
,
M. L.
Kim
,
B. O.
Park
,
T. J.
Wandless
, and
T.
Meyer
,
Science
314
,
1458
(
2006
).
39.
Z.
Guo
,
H.
Peng
,
J.
Kang
, and
D.
Sun
,
Biomed. Rep.
4
,
528
(
2016
).
40.
M.
Zorkoa
and
U.
Langel
,
Adv. Drug Delivery Rev.
57
,
529
(
2005
).
41.
M. L. A.
Simon
,
M. P.
Platre
,
M. M.
Marqus-Bueno
,
L.
Armengot
,
T.
Stanislas
,
V.
Bayle
,
M.-C.
Caillaud
, and
Y.
Jaillais
,
Nat. Plants
2
,
16089
(
2016
).
42.
R. R.
Arvizo
,
O. R.
Miranda
,
M. A.
Thompson
,
C. M.
Pabelick
,
R.
Bhattacharya
,
J. D.
Robertson
,
V. M.
Rotello
,
Y. S.
Prakash
, and
P.
Mukherjee
,
Nano Lett.
10
,
2543
(
2010
).
43.
S. H.
Behrens
and
D. G.
Grier
,
J. Chem. Phys.
115
,
6716
(
2001
).
44.
L. H.
Klausen
,
T.
Fuhs
, and
M.
Dong
,
Nat. Commun.
7
,
12447
(
2016
).
45.
T. B.
Kinraide
and
P.
Wang
,
J. Exp. Bot.
61
,
2507
(
2010
).
46.
R. A.
Böckmann
,
A.
Hac
,
T.
Heimburg
, and
H.
Grubmüller
,
Biophys. J.
85
,
1647
(
2003
).
47.
C. C.
Logisz
and
J. S.
Hovis
,
Biochim. Biophys. Acta
1717
,
104
(
2005
).
48.
I.
Martn
,
M.
Teixid
, and
E.
Giralt
,
Chembiochem
12
,
896
(
2011
).
49.
T.
Yamada
,
T. K.
Das Gupta
, and
C. W.
Beattie
,
Mol. Pharm.
10
,
3375
(
2013
).
50.
T.
Yamada
,
S.
Signorelli
,
S.
Cannistraro
,
C. W.
Beattie
, and
A. R.
Bizzarri
,
Mol. Pharm.
12
,
140
(
2015
).
51.
H. M.
Khan
,
T.
He
,
E.
Fuglebakk
,
C.
Grauffel
,
B.
Yang
,
M. F.
Roberts
,
A.
Gershenson
, and
N.
Reuter
,
Biophys. J.
110
,
1367
(
2016
).
52.
B.
Yang
,
M.
Pu
,
H. M.
Khan
,
L.
Friedman
,
N.
Reuter
,
M. F.
Roberts
, and
A.
Gershenson
,
J. Am. Chem. Soc.
137
,
14
(
2015
).
53.
R. E.
Dalby
and
A.
Kuhn
,
FEMS Microbiol. Rev.
36
,
1023
(
2012
).
54.
S. A.
Pandit
,
D.
Bostick
, and
M. L.
Berkowitz
,
Biophys. J.
85
,
3120
(
2003
).
55.
E.
Chibowski
,
Y.
Yan
, and
A.
Szczes
,
Colloids and Surfaces A
,
521
,
294
(
2017
).
56.
W.
Choi
,
J.-E.
Gu
,
S.-H.
Park
,
S.
Kim
,
J.
Bang
,
K.-Y.
Baek
,
B.
Park
,
J. S.
Lee
,
E. P.
Chan
, and
J.-H.
Lee
,
ACS Nano
9
,
345
(
2015
).
57.
C. E.
Ashley
,
E. C.
Carnes
,
G. K.
Phillips
,
D.
Padilla
,
P. N.
Durfee
,
P. A.
Brown
,
T. N.
Hanna
,
J.
Liu
,
B.
Phillips
,
M. B.
Carter
,
N. J.
Carroll
,
X.
Jiang
,
D. R.
Dunphy
,
C. L.
Willman
,
D. N.
Petsev
,
D. G.
Evans
,
A. N.
Parikh
,
B.
Chackerian
,
W.
Wharton
,
D. S.
Peabody
, and
C. J.
Brinker
,
Nat. Mater.
10
,
389
(
2011
).
58.
K. S.
Butler
,
P. N.
Dufree
,
C.
Theron
,
C. E.
Ashley
,
E. C.
Carnes
, and
C. J.
Brinker
,
Small
12
,
2173
(
2016
).
59.
J.
Liu
,
A.
Stace-Naughton
, and
C. J.
Brinker
,
Chem. Commun.
5100
, (
2009
) .
60.
K. S.
Ramamurthi
,
S.
Lecuyer
,
H. A.
Stone
, and
R.
Losick
,
Science
323
,
1354
(
2009
).
61.
R. L.
Gill
, Jr.
,
J.-P.
Castaing
,
J.
Hsin
,
I. S.
Tan
,
X.
Wang
,
K. C.
Huang
,
F.
Tiana
, and
K. S.
Ramamurthi
,
Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A.
112
,
E1908
(
2015
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.