Planar supported lipid bilayers (PSLBs) are an ideal model for the study of lipid membrane structures and dynamics when using sum-frequency vibrational spectroscopy (SFVS). In this paper, we describe the construction of asymmetric PSLBs and the basic SFVS theory needed to understand and make measurements on these membranes. Several examples are presented, including the determination of phospholipid orientation and measuring phospholipid transmembrane translocation (flip-flop).
REFERENCES
1.
Robert
Hooke
, Micrographia: Or Some Physiological Description of Minute Bodies Made by Magnifying Glasses with Observations and Inquiries Thereupon
(Martyn and J. Allestry, The Royal Society, London, 1665
).2.
3.
A.
van Leeuwenhoek
, Philos. Trans. R. Soc.
12
, 821
(1677
). 4.
N.
Lane
, Philos. Trans. R. Soc. B Biol. Sci.
370
, 20140344
(2015
). 5.
J.
Lombard
, Biol. Direct
9
, 1
(2014
). 6.
H. M.
Keşfi
, Bezmialem Sci.
8
, 81
(2020
). 7.
S. J.
Singer
and G. L.
Nicolson
, Science
175
, 720
(1972
). 8.
D. M.
Engelman
, Nature
438
, 578
(2005
). 9.
A. H.
Maddy
, Biochim. Biophys. Acta Biomembr.
88
, 390
(1964
). 10.
P. F.
Devaux
, Biochemistry
30
, 1163
(1991
). 11.
G.
Van Meer
, D. R.
Voelker
, and G. W.
Feigenson
, Nat. Rev. Mol. Cell Biol.
9
, 112
(2008
). 12.
A.
Yamaji-Hasegawa
and M.
Tsujimoto
, Biol. Pharm. Bull.
29
, 1547
(2006
). 13.
M.
Ikeda
, A.
Kihara
, and Y.
Igarashi
, Biol. Pharm. Bull.
29
, 1542
(2006
). 14.
J. A. F.
Op den Kamp
, Annu. Rev. Biochem.
48
, 47
(1979
). 15.
C. F.
Higgins
, Cell
79
, 393
(1994
). 16.
R. J.
Clarke
, K. R.
Hossain
, and K.
Cao
, Biochim. Biophys. Acta Biomembr.
1862
, 183382
(2020
). 17.
P. F.
Devaux
and A.
Herrmann
, Transmembrane Dynamics of Lipids
(Wiley
, New York
, 2011
).18.
X.
Tang
, M. S.
Halleck
, R. A.
Schlegel
, and P.
Williamson
, Science
272
, 1495
(1996
). 19.
T.
Pomorski
, R.
Lombardi
, H.
Riezman
, P. F.
Devaux
, G.
Van Meer
, and J. C. M.
Holthuis
, Mol. Biol. Cell
14
, 1240
(2003
). 20.
C. Y.
Chen
, M. F.
Ingram
, P. H.
Rosal
, and T. R.
Graham
, J. Cell Biol.
147
, 1223
(1999
). 21.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, Biophys. J.
89
, 2522
(2005
). 22.
J.
Bai
and R. E.
Pagano
, Biochemistry
36
, 8840
(1997
). 23.
R. D.
Kornberg
and H. M.
McConnell
, Biochemistry
10
, 1111
(1971
). 24.
P. F.
Devaux
, P.
Fellmann
, and P.
Hervé
, Chem. Phys. Lipids
116
, 115
(2002
). 25.
D. W. C.
Dekkers
, P.
Comfurius
, A. J.
Schroit
, E. M.
Bevers
, and R. F. A.
Zwaal
, Biochemistry
37
, 14833
(1998
). 26.
S.
Hrafnsdóttir
, J. W.
Nichols
, and A. K.
Menon
, Biochemistry
36
, 4969
(1997
). 27.
T.
Pomorski
, P.
Müller
, B.
Zimmermann
, K.
Burger
, P. F.
Devaux
, and A.
Herrmann
, J. Cell Sci.
109
, 687
(1996
). 28.
R.
Homan
and H. J.
Pownall
, Biochim. Biophys. Acta Biomembr.
938
, 155
(1988
). 29.
M.
Nakano
, M.
Fukuda
, T.
Kudo
, N.
Matsuzaki
, T.
Azuma
, K.
Sekine
, H.
Endo
, and T.
Handa
, J. Phys. Chem. B
113
, 6745
(2009
). 30.
M.
Nakano
, M.
Fukuda
, T.
Kudo
, H.
Endo
, and T.
Handa
, Phys. Rev. Lett.
98
, 238101
(2007
). 31.
D.
Marquardt
, F. A.
Heberle
, T.
Miti
, B.
Eicher
, E.
London
, J.
Katsaras
, and G.
Pabst
, Langmuir
33
, 3731
(2017
). 32.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, J. Am. Chem. Soc.
126
, 8376
(2004
). 33.
L. K.
Tamm
and H. M.
McConnell
, Biophys. J.
47
, 105
(1985
). 34.
A. L.
Plant
, Langmuir
15
, 5128
(1999
). 35.
M. L.
Wagner
and L. K.
Tamm
, Biophys. J.
79
, 1400
(2000
). 36.
T. V.
Ratto
and M. L.
Longo
, Biophys. J.
83
, 3380
(2002
). 37.
J.
Liu
, K. L.
Brown
, and J. C.
Conboy
, Faraday Discuss.
161
, 45
(2013
). 38.
K. L.
Brown
and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. B
117
, 15041
(2013
). 39.
V.
Cheng
, D. R.
Kimball
, and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. B
123
, 7157
(2019
). 40.
V.
Cheng
, R.
Rallabandi
, A.
Gorusupudi
, S.
Lucas
, G.
Rognon
, P. S.
Bernstein
, J. D.
Rainier
, and J. C.
Conboy
, Biophys. J.
121
, 2730
(2022
). 41.
V.
Cheng
and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. B
126
, 7651
(2022
). 42.
T. C.
Anglin
, M. P.
Cooper
, H.
Li
, K.
Chandler
, and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. B
114
, 1903
(2010
). 43.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, J. Am. Chem. Soc.
126
, 8894
(2004
). 44.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, Langmuir
21
, 9091
(2005
). 45.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. B
119
, 10252
(2015
). 46.
T. C.
Anglin
, J.
Liu
, and J. C.
Conboy
, Biophys. J.
92
, L01
(2007
). 47.
T. C.
Anglin
and J. C.
Conboy
, Biophys. J.
95
, 186
(2008
). 48.
T. C.
Anglin
and J. C.
Conboy
, Biochemistry
48
, 10220
(2009
). 49.
T. T.
Nguyen
, K.
Rembert
, and J. C.
Conboy
, J. Am. Chem. Soc.
131
, 1401
(2009
). 50.
K. L.
Brown
and J. C.
Conboy
, J. Am. Chem. Soc.
133
, 8794
(2011
). 51.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, Vib. Spectrosc.
50
, 106
(2009
). 52.
J. S.
Allhusen
, D. R.
Kimball
, and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. B
120
, 3157
(2016
). 53.
T. C.
Anglin
, K. L.
Brown
, and J. C.
Conboy
, J. Struct. Biol.
168
, 37
(2009
). 54.
K. B.
Blodgett
, J. Am. Chem. Soc.
57
, 1007
(1935
). 55.
K. B.
Blodgett
, J. Am. Chem. Soc.
56
, 495
(1934
). 56.
O. N.
Oliveira
, L.
Caseli
, and K.
Ariga
, Chem. Rev.
122
, 6459
(2022
). 57.
H. M.
McConnell
, T. H.
Watts
, R. M.
Weis
, and A. A.
Brian
, Biochim. Biophys. Acta Rev. Biomembr.
864
, 95
(1986
). 58.
P. S.
Cremer
and S. G.
Boxer
, J. Phys. Chem. B
103
, 2554
(1999
). 59.
E. T.
Castellana
and P. S.
Cremer
, Surf. Sci. Rep.
61
, 429
(2006
). 60.
J. C.
Conboy
, S.
Liu
, D. F.
O’Brien
, and S. S.
Saavedra
, Biomacromolecules
4
, 841
(2003
). 61.
J. M.
Smaby
, V. S.
Kulkarni
, M.
Momsen
, and R. E.
Brown
, Biophys. J.
70
, 868
(1996
). 62.
63.
R.
Boyd
, Nonlinear Optics
, 3rd ed. (Academic Press, Cambridge, 2008). 64.
A. G.
Lambert
, P. B.
Davies
, and D. J.
Neivandt
, Appl. Spectrosc. Rev.
40
, 103
(2005
). 65.
J. D.
Pickering
, M.
Bregnhøj
, A. S.
Chatterley
, M. H.
Rasmussen
, K.
Strunge
, and T.
Weidner
, Biointerphases
17
, 011201 (2022
).66.
J. D.
Pickering
, M.
Bregnhøj
, A. S.
Chatterley
, M. H.
Rasmussen
, S. J.
Roeters
, K.
Strunge
, and T.
Weidner
, Biointerphases
17
, 011202 (2022
).67.
J. D.
Pickering
, M.
Bregnhøj
, M. H.
Rasmussen
, K.
Strunge
, and T.
Weidner
, Biointerphases
17
, 041201 (2022
).68.
B.
Dick
, A.
Gierulski
, G.
Marowsky
, and G. A.
Reider
, Appl. Phys. B Photophys. Laser Chem.
38
, 107
(1985
). 69.
M. J.
Hofmann
and P.
Koelsch
, J. Chem. Phys.
143
, 134112 (2015
). 70.
71.
J. J.
Max
and C.
Chapados
, J. Chem. Phys.
131
, 184505 (2009
). 72.
S.
Kedenburg
, M.
Vieweg
, T.
Gissibl
, and H.
Giessen
, Opt. Mater. Express
2
, 1588
(2012
). 73.
J.
Martín
and S.
Montero
, J. Chem. Phys.
80
, 4610
(1984
). 74.
D.
Zhang
, J.
Gutow
, and K. B.
Eisenthal
, J. Phys. Chem.
98
, 13729
(1994
). 75.
H. I.
Petrache
, S. W.
Dodd
, and M. F.
Brown
, Biophys. J.
79
, 3172
(2000
). 76.
A.
Salmon
, S. W.
Dodd
, G. D.
Williams
, J. M.
Beach
, and M. F.
Brown
, J. Am. Chem. Soc.
109
, 2600
(1987
). 77.
J.
Liu
and J. C.
Conboy
, J. Phys. Chem. C
111
, 8988
(2007
). 78.
J. H.
Davis
, BBA Rev. Biomembr.
737
, 117
(1983
). 79.
J.
Seelig
and A.
Seelig
, Q. Rev. Biophys.
13
, 19
(1980
). 80.
H.
Eyring
, Chem. Rev.
17
, 65
(1935
). 81.
L. J.
Richter
, T. P.
Petralli-Mallow
, and J. C.
Stephenson
, Opt. Lett.
23
, 1594
(1998
). 82.
E. L.
Hommel
and H. C.
Allen
, Anal. Sci.
17
, 137
(2001
). 83.
D.
Bodlaki
and E.
Borguet
, Rev. Sci. Instrum.
71
, 4050
(2000
). 84.
L.
Yang
, W.
Zhang
, H.
Bian
, and G.
Ma
, Biointerphases
17
, 051201
(2022
). 85.
M. G.
Brown
, E. A.
Raymond
, H. C.
Allen
, L. F.
Scatena
, and G. L.
Richmond
, J. Phys. Chem. A
104
, 10220
(2000
). 86.
A. D.
Quast
, N. C.
Wilde
, S. S.
Matthews
, S. T.
Maughan
, S. L.
Castle
, and J. E.
Patterson
, Vib. Spectrosc.
61
, 17
(2012
). 87.
M. C.
Henry
, L. K.
Wolf
, and M. C.
Messmer
, J. Phys. Chem. B
107
, 2765
(2003
). 88.
R. A.
Walker
, J. C.
Conboy
, and G. L.
Richmond
, Langmuir
13
, 3070
(1997
). 89.
C.
Bolterauer
and H.
Heller
, Eur. Biophys. J.
24
, 322
(1996
). 90.
I.
Burgess
, M.
Li
, S. L.
Horswell
, G.
Szymanski
, J.
Lipkowski
, S.
Satija
, and J.
Majewski
, Colloids Surf. B Biointerfaces
40
, 117
(2005
). 91.
A.
Tardieu
, V.
Luzzati
, and F. C.
Reman
, J. Mol. Biol.
75
, 711
(1973
). 92.
M. J.
Janiak
, D. M.
Small
, and G. G.
Shipley
, J. Biol. Chem.
254
, 6068
(1979
). 93.
T. J.
McIntosh
and S. A.
Simon
, Biochemistry
32
, 8374
(1993
). 94.
R. H.
Pearson
and I.
Pascher
, Nature
281
, 499
(1979
). 95.
W.
Hübner
and H. H.
Mantsch
, Biophys. J.
59
, 1261
(1991
). 96.
H.
Binder
, T.
Gutberlet
, A.
Anikin
, and C. V.
Klose
, Biophys. J.
74
, 1908
(1998
). 97.
P. L.
Yeagle
, Acc. Chem. Res.
11
, 321
(1978
). 98.
H.
Akutsu
, M.
Ikematsu
, and Y.
Kyogoku
, Chem. Phys. Lipids
28
, 149
(1981
). 99.
E.
Okamura
, J.
Umemura
, and T.
Takenaka
, Biochem. Biophys. Acta
1025
, 94
(1990
). 100.
L.
Ter-Minassian-Saraga
, E.
Okamura
, J.
Umemura
, and T.
Takenaka
, Biochem. Biophys. Acta
946
, 417
(1988
). 101.
G.
Buldt
, H. U.
Galley
, J.
Seelig
, and G.
Zaccai
, J. Mol. Biol.
134
, 673
(1979
). 102.
J. S.
Allhusen
and J. C.
Conboy
, Acc. Chem. Res.
50
, 58
(2017
). 2024 Published under an exclusive license by the AVS.
2024
Author(s)
You do not currently have access to this content.
