We present an improved and extended version of our coarse grained lipid model. The new version, coined the MARTINI force field, is parametrized in a systematic way, based on the reproduction of partitioning free energies between polar and apolar phases of a large number of chemical compounds. To reproduce the free energies of these chemical building blocks, the number of possible interaction levels of the coarse-grained sites has increased compared to those of the previous model. Application of the new model to lipid bilayers shows an improved behavior in terms of the stress profile across the bilayer and the tendency to form pores. An extension of the force field now also allows the simulation of planar (ring) compounds, including sterols. Application to a bilayer/cholesterol system at various concentrations shows the typical cholesterol condensation effect similar to that observed in all atom representations.

Exocytosis in neuronal cells requires the SNARE protein syntaxin-1A, which is clustered at sites where synaptic vesicles are poised to undergo exocytosis. Reinhard Jahn and colleagues use super-resolution stimulated-emission depletion (STED) microscopy to show that syntaxin clusters in the membrane through electrostatic interactions with the strongly anionic lipid phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2) into 70-nanometre microdomains. The results demonstrate that electrostatic protein–lipid interactions can result in the formation of microdomains independent of cholesterol or lipid phases and have important implications for the organization of the plasma membrane. Neuronal exocytosis is catalysed by the SNAP receptor protein syntaxin-1A1, which is clustered in the plasma membrane at sites where synaptic vesicles undergo exocytosis2,3. However, how syntaxin-1A is sequestered is unknown. Here we show that syntaxin clustering is mediated by electrostatic interactions with the strongly anionic lipid phosphatidylinositol-4,5-bisphosphate (PIP2). Using super-resolution stimulated-emission depletion microscopy on the plasma membranes of PC12 cells, we found that PIP2 is the dominant inner-leaflet lipid in microdomains about 73 nanometres in size. This high accumulation of PIP2 was required for syntaxin-1A sequestering, as destruction of PIP2 by the phosphatase synaptojanin-1 reduced syntaxin-1A clustering. Furthermore, co-reconstitution of PIP2 and the carboxy-terminal part of syntaxin-1A in artificial giant unilamellar vesicles resulted in segregation of PIP2 and syntaxin-1A into distinct domains even when cholesterol was absent. Our results demonstrate that electrostatic protein–lipid interactions can result in the formation of microdomains independently of cholesterol or lipid phases.

Cell membranes contain a large number of different lipid species. Such a multicomponent mixture exhibits a complex phase behavior with regions of structural and compositional heterogeneity. Especially domains formed in ternary mixtures, composed of saturated and unsaturated lipids together with cholesterol, have received a lot of attention as they may resemble raft formation in real cells. Here we apply a simulation model to assess the molecular nature of these domains at the nanoscale, information that has thus far eluded experimental determination. We are able to show the spontaneous separation of a saturated phosphatidylcholine (PC)/unsaturated PC/cholesterol mixture into a liquid-ordered and a liquid-disordered phase with structural and dynamic properties closely matching experimental data. The near-atomic resolution of the simulations reveals remarkable features of both domains and the boundary domain interface. Furthermore, we predict the existence of a small surface tension between the monolayer leaflets that drives registration of the domains. At the level of molecular detail, raft-like lipid mixtures show a surprising face with possible implications for many cell membrane processes.

The importance of curvature as a structural feature of biological membranes has been recognized for many years and has fascinated scientists from a wide range of different backgrounds. On the one hand, changes in membrane morphology are involved in a plethora of phenomena involving the plasma membrane of eukaryotic cells, including endo- and exocytosis, phagocytosis and filopodia formation. On the other hand, a multitude of intracellular processes at the level of organelles rely on generation, modulation, and maintenance of membrane curvature to maintain the organelle shape and functionality. The contribution of biophysicists and biologists is essential for shedding light on the mechanistic understanding and quantification of these processes.

The occurrence of linear cholesterol-recognition motifs in alpha-helical transmembrane domains has long been debated. Here, we demonstrate the ability of a genetic algorithm guided by coarse-grained molecular dynamics simulations—a method coined evolutionary molecular dynamics (Evo-MD)—to directly resolve the sequence which maximally attracts cholesterol for single-pass alpha-helical transmembrane domains (TMDs). We illustrate that the evolutionary landscape of cholesterol attraction in membrane proteins is characterized by a sharp, well-defined global optimum. Surprisingly, this optimal solution features an unusual short, slender hydrophobic block surrounded by three successive lysines. Owing to the membrane thickening effect of cholesterol, cholesterol-enriched ordered phases favor TMDs characterized by a long rather than a too short hydrophobic length (a negative hydrophobic mismatch). However, this short hydrophobic pattern evidently offers a pronounced net advantage for the attraction of free cholesterol in both coarse-grained and atomistic simulations. We illustrate that optimal cholesterol attraction is in fact based on the superposition of two distinct structural features: (i) slenderness and (ii) hydrophobic mismatch. In addition, we explore the evolutionary occurrence and feasibility of the two features by analyzing existing databases of membrane proteins and through the direct expression of analogous short hydrophobic sequences in live cell assays. The puzzling sequence variability of proposed linear cholesterol-recognition motifs is indicative of a sub-optimal membrane-mediated attraction of cholesterol which markedly differs from ligand binding based on shape compatibility. Significance Statement Our work demonstrates how a synergy between evolutionary algorithms and high-throughput coarse-grained molecular dynamics can yield fundamentally new insights into the evolutionary fingerprints of protein-mediated lipid sorting. We illustrate that the evolutionary landscape of cholesterol attraction in isolated transmembrane domains is characterized by a well-defined global optimum. In contrast, sub-optimal attraction of cholesterol is associated with a diverse solution space and features a high sequence variability despite acting on the same unique molecule. The contrasting physicochemical nature of the resolved attraction optimum suggests that cholesterol attraction via linear motifs does not pose a dominant pressure on the evolution of transmembrane proteins.

Abstract The mitochondrial inner membrane is an integral part of the cellular lipid biosynthesis network. Intramitochondrial lipid transfer shuttles specific lipid species between the two mitochondrial membranes. This pathway is facilitated by designated protein complexes in the intermembrane space. A hetero-dimeric complex of Ups1 and Mdm35 has been identified in yeast to transfer phosphatidic acid from the outer to the inner membrane. Here, we define pH and lipid charge dependency of Ups1 membrane interaction. We show that Ups1 interacts with membranes in a membrane curvature dependent manner. Ups1 predominantly binds to membrane domains of positive curvature. Desorption of phosphatidic acid from positively curved membranes is energetically favorable over flat or negatively curved membranes. Hence, our results demonstrate that Ups1 specifically binds to membrane regions where extraction and insertion of lipids is enhanced.

Abstract The Tat system has the unique purpose to translocate folded proteins across energy-transducing membranes. It occurs in bacteria and archaea, as well as in eukaryotic organelles of bacterial origin. In the bacterial model system Escherichia coli , the three components TatA, TatB, and TatC assemble to functional translocons. TatA and TatB both possess an N-terminal transmembrane helix (TMH) that is followed by an amphipathic helix (APH). The TMHs of TatA and TatB generate a hydrophobic mismatch with only 12 consecutive hydrophobic residues that span the membrane. We shortened or extended this stretch of hydrophobic residues in either TatA, TatB, or both, and analyzed effects on transport functionality and translocon assembly. The wild type length functioned best but was not an absolute requirement, as some variation was clearly tolerated. Defects of shortenings or extensions were enhanced by simultaneous mutations in TatA and TatB, indicating partial compensations of mutations in TatA by wild type TatB or vice versa. Length variation in TatB destabilized TatBC-containing complexes, revealing that the 12-residues-length is important for Tat component interactions and translocon assembly. To also address potential effects on TatA associations, we characterized these by metal tagging transmission electron microscopy and carried out molecular dynamics simulations. In these simulations, interacting short TMHs of larger TatA assemblies were thinning the membrane together with laterally aligned tilted APHs that generated a deep V-shaped groove. The conserved length of 12 hydrophobic residues may thus not only be important for translocon interactions, but also for a membrane destabilization during Tat transport. If this is the case, the specific short length could be a compromise between functionality and proton leakage minimization.

Abstract To mount an adaptive immune response, dendritic cells must process antigens, migrate to lymph nodes and form synapses with T cells. Critical to 3D migration and mechano-sensing is the nucleus, which is the size-limiting barrier for navigation through gaps in the extracellular matrix. Here, we show that inflammatory activation of dendritic cells leads to the nucleus becoming spherically deformed, adopting a raison-like shape and enables dendritic cells to overcome the typical 2 – 3-micron pore limit for 3D-migration. We show that the nuclear shape-change is partially attained through reduced cell adhesion, whereas improved migration through extracellular matrix is achieved through reprogramming of the actin cytoskeleton. Specifically we show that cofilin-1 is phosphorylated at serine 41 drives the assembly of a Cofilin-ActoMyosin (CAM)-ring proximal to the nucleus and enhancing migration through 3D collagen gels. In summary, these data describe novel signaling events through which dendritic cells simultaneously deform their nucleus and enhance their migratory capacity; molecular events that may be re-capitulated in other contexts such as wound healing and cancer.

Abstract Proteins can specifically bind to curved membranes through curvature-induced hydrophobic lipid packing defects. The chemical diversity among such curvature ‘sensors’ challenges our understanding of how they differ from general membrane ‘binders’, that bind without curvature selectivity. Here, we combine an evolutionary algorithm with coarse-grained molecular dynamics simulations (Evo-MD) to resolve the peptide sequences that optimally recognize the curvature of lipid membranes. We subsequently demonstrate how a synergy between Evo-MD and a neural network (NN) can enhance the identification and discovery of curvature sensing peptides and proteins. To this aim, we benchmark a physics-trained NN model against experimental data and show that we can correctly identify known ‘sensors’ and ‘binders’. We illustrate that sensing and binding are in fact phenomena that lie on the same thermodynamic continuum, with only subtle but explainable differences in membrane binding free energy, consistent with the serendipitous discovery of sensors. Teaser AI-based design helps explain curvature-selective membrane binding behavior.