The development of biomaterials capable of regulating cellular processes and guiding cell fate decisions has broad implications in tissue engineering, regenerative medicine, and cell-based assays for drug development and disease modeling. Recent studies have shown that three-dimensional (3D) nanoscale physical cues such as nanotopography can modulate various cellular processes like adhesion and endocytosis by inducing nanoscale curvature on the plasma and nuclear membranes. Two-dimensional (2D) biochemical cues such as protein micropatterns can also regulate cell function and fate by controlling cellular geometries. Development of biomaterials with precise control over nanoscale physical and biochemical cues can significantly influence programming cell function and fate. In this study, we utilized a laser-assisted micropatterning technique to manipulate the 2D architectures of cells on 3D nanopillar platforms. We performed a comprehensive analysis of cellular and nuclear morphology and deformation on both nanopillar and flat substrates. Our findings demonstrate the precise engineering of single cell architectures through 2D micropatterning on nanopillar platforms. We show that the coupling between the nuclear and cell shape is disrupted on nanopillar surfaces compared to flat surfaces. Furthermore, our results suggest that cell elongation on nanopillars enhances nanopillar-induced endocytosis. We believe our platform serves as a versatile tool for further explorations into programming cell function and fate through combined physical cues that create nanoscale curvature on cell membranes and biochemical cues that control the geometry of the cell.

Integrin αIIbβ3 is a predominant type of integrin abundantly expressed on the surface of platelets and its activation regulates the process of thrombosis. Talin and kindlin are cytoplasmic proteins that bind to integrin and modulate its affinity for extracellular ligands. While the molecular details of talin-mediated integrin activation are known, the mechanism of kindlin involvement in this process remains elusive. Here, we demonstrate that the interplay between talin and kindlin promotes integrin activation. Our all-atomic molecular dynamics simulations on complete transmembrane and cytoplasmic domains of integrin αIIbβ3, talin1 F2/F3 subdomains, and kindlin2 FERM domain in an explicit lipid-water environment over microsecond timescale, unraveled the role of kindlin as an enhancer of the talin interaction with the membrane proximal region of β-integrin. The cooperation of kindlin with talin results in a complete disruption of salt bridges between R995 on αIIb and D723/E726 on β3. Furthermore, kindlin modifies the molecular mechanisms of inside-out activation by decreasing the crossing angle between transmembrane helices of integrin αIIb-β3, which eventually results in parallelization of integrin dimer. In addition, our control simulation featuring integrin in complex with kindlin reveals that kindlin binding is not sufficient for unclasping the inner membrane and outer membrane interactions of integrin dimer, thus ruling out the possibility of solitary action of kindlin in integrin activation.

Contact sites between the endoplasmic reticulum (ER) and the plasma membrane (PM) play a crucial role in governing calcium regulation and lipid homeostasis. Despite their significance, the factors regulating their spatial distribution on the PM remain elusive. Inspired by observations in cardiomyocytes, where ER-PM contact sites concentrate on tubular PM invaginations known as transverse tubules (T-tubules), we hypothesize that the PM curvature plays a role in ER-PM contact formation. Through precise control of PM invaginations, we show that PM curvatures locally induce the formation of ER-PM contacts in cardiomyocytes. Intriguingly, the junctophilin family of ER-PM tethering proteins, specifically expressed in excitable cells, is the key player in this process, while the ubiquitously expressed extended synaptotagmin 2 does not show a preference for PM curvature. At the mechanistic level, we find that the low complexity region (LCR) and the MORN motifs of junctophilins can independently bind to the PM, but both the LCR and MORN motifs are required for targeting PM curvatures. By examining the junctophilin interactome, we identify a family of curvature-sensing proteins, Eps15-homology domain containing proteins (EHDs), that interact with the MORN_LCR motifs and facilitate junctophilins' preferential tethering to curved PM. These findings highlight the pivotal role of PM curvature in the formation of ER-PM contacts in cardiomyocytes and unveil a novel mechanism for the spatial regulation of ER-PM contacts through PM curvature modulation.

Abstract Materials with engineered nano-scale surface topographies, such as nanopillars, nanoneedles, and nanowires, mimic natural structures like viral spike proteins, enabling them to bypass biological barriers like the plasma membrane. These properties have led to applications in nanoelectronics for intracellular sensing and drug delivery platforms, some of which are already in clinical trials. Here, we present evidence that nanotopographic materials can induce transient openings in the nuclear membranes of various cell types without penetrating the cells, breaching the nucleo-cytoplasmic barrier and allowing uncontrolled molecular exchange across the nuclear membrane. These openings, induced by nanoscale curvature, are temporary and repaired through ESCRT-mediated mechanisms. Our findings suggest a potential for nano topographic materials for direct nuclear sensing and delivery, holding promise for improving the delivery, efficiency, and safety of therapeutic agents to the nucleus.

ABSTRACT Platforms with nanoscale topography have recently become powerful tools in cellular biophysics and bioengineering. Recent studies have shown that nanotopography affects various cellular processes like adhesion and endocytosis, as well as physical properties such as cell shape. To engineer nanopillars more effectively for biomedical applications, it is crucial to gain better control and understanding of how nanopillars affect cell and nuclear physical properties, such as shape and spreading area, and impact cellular processes like endocytosis and adhesion. In this study, we utilized a laser-assisted micropatterning technique to manipulate the 2D architectures of cells on 3D nanopillar platforms. We performed a comprehensive analysis of cellular and nuclear morphology and deformation on both nanopillar and flat substrates. Our findings demonstrate precise engineering of cellular architectures through 2D micropatterning on nanopillar platforms. We show that the coupling between nuclear and cell shape is disrupted on nanopillar surfaces compared to flat surfaces. Furthermore, we discovered that cell elongation on nanopillars enhances nanopillar-induced endocytosis. These results have significant implications for various biomedical applications of nanopillars, including drug delivery, drug screening, intracellular electrophysiology, and biosensing. We believe our platform serves as a versatile tool for further explorations, facilitating investigations into the interplay between cell physical properties and alterations in cellular processes. Graphical Abstract

Abstract The linker of the nucleoskeleton and cytoskeleton (LINC) complex comprises SUN (Sad-1 and UNC-84) and KASH (Klarsicht, ANC-1, SYNE homology) domain proteins, whose conserved interactions provide a physical coupling between the cytoskeleton and the nucleoskeleton, thereby mediating the transfer of physical forces across the nuclear envelope. The LINC complex can perform distinct cellular functions by pairing various KASH domain proteins with the same SUN domain protein. Recent studies have suggested a higher-order assembly of SUN and KASH instead of a more widely accepted linear trimer model for the LINC complex. In the present study, we use molecular dynamics simulations to investigate the mechanism of force transfer across the two proposed models of LINC complex assembly, namely the 3:3 linear trimer model and the 6:6 higher-order model. Employing steered molecular dynamics simulations with various structures using forces at different rates and directions, we examine the structural stability of the two models under various biologically relevant conditions. Our results suggest that both models can withstand and transfer significant levels of force while retaining their structural integrity. However, the force response of various SUN KASH assemblies depended on the force direction and pulling rates. Slower pulling rates resulted in higher mean square fluctuations of the 3:3 assembly compared to the fast pulling. Interestingly, the 6:6 assembly tends to provide an additional range of motion flexibility and might be more suitable for describing the interaction between SUN and KASH under compressive and shear forces. These findings offer insights into how the SUN and KASH proteins maintain the structural integrity of the nuclear membrane.

Abstract Both substrate stiffness and surface topography regulate cell behavior through mechanotransduction signaling pathways. Such intertwined effects suggest that engineered surface topographies might substitute or cancel the effects of substrate stiffness in biomedical applications. However, the mechanisms by which cells recognize topographical features are not fully understood. Here we demonstrate that the presence of nanotopography drastically alters cell behavior such that neurons and stem cells cultured on rigid glass substrates behave as if they were on soft hydrogels. We further show that rigid nanotopography resembles the effect of soft hydrogels in reducing cell stiffness and membrane tension as measured by atomic force microscopy. Finally, we demonstrate that nanotopography reduces focal adhesions and cell stiffness by enhancing the endocytosis and the subsequent removal of integrin receptors. This mechanistic understanding will support the rational design of nanotopography that directs cells on rigid materials to behave as if they were on soft ones. TOC graphic

Abstract Plasma membrane topography has been shown to strongly influence the behavior of many cellular processes such as clathrin-mediated endocytosis, actin rearrangements, and others. Recent studies have used 3D nanostructures such as nanopillars to imprint well-defined membrane curvatures (the “nano-bio interface”). In these studies, proteins and their interactions were probed by 2D fluorescence microscopy. However, the low resolution and limited axial detail of such methods are not optimal to determine the relative spatial position and distribution of proteins along a 100 nm-diameter object, which is below the optical diffraction limit. Here, we introduce a general method to explore the nanoscale distribution of proteins at the nano-bio interface with 10-20 nm precision using 3D single-molecule super-resolution (SR) localization microscopy. This is achieved by combining a silicone oil immersion objective and 3D double-helix point-spread function microscopy. We carefully optimize the objective to minimize spherical aberrations between quartz nanopillars and the cell. To validate the 3D SR method, we imaged the 3D shape of surface-labeled nanopillars and compared the results with electron microscopy measurements. Turning to transmembrane-anchored labels in cells, the high quality 3D SR reconstructions reveal the membrane tightly wrapping around the nanopillars. Interestingly, the cytoplasmic protein AP-2 involved in clathrin-mediated endocytosis accumulates along the nanopillar above a specific threshold of 1/R membrane curvature. Finally, we observe that AP-2 and actin preferentially accumulate at positive Gaussian curvature near the pillar caps. Our results establish a general method to investigate the nanoscale distribution of proteins at the nano-bio interface using 3D SR microscopy.

Abstract Mammalian cells adhere to the extracellular matrix (ECM) and sense mechanical cues through integrin-mediated adhesions 1, 2 . Focal adhesions and related structures are the primary architectures that transmit forces between the ECM and the actin cytoskeleton. Although focal adhesions are abundant when cells are cultured on rigid substrates, they are sparse in soft environments that cannot support high mechanical tensions 3 . Here, we report a new class of integrin-mediated adhesions, curved adhesions, whose formation is regulated by membrane curvature instead of mechanical tension. In soft matrices made of protein fibres, curved adhesions are induced by membrane curvatures imposed by the fibre geometry. Curved adhesions are mediated by integrin ɑVβ5 and are molecularly distinct from focal adhesions and clathrin lattices. The molecular mechanism involves a previously unknown interaction between integrin β5 and a curvature-sensing protein FCHo2. We find that curved adhesions are prevalent in physiologically relevant environments. Disruption of curved adhesions by knocking down integrin β5 or FCHo2 abolishes the migration of multiple cancer cell lines in 3D matrices. These findings provide a mechanism of cell anchorage to natural protein fibres that are too soft to support the formation of focal adhesions. Given their functional importance for 3D cell migration, curved adhesions may serve as a therapeutic target for future development.

Abstract Drug-induced cardiotoxicity arises primarily when a compound alters the electrophysiological properties of cardiomyocytes. Features of intracellular action potentials (iAPs) are powerful biomarkers that predict proarrhythmic risks. However, the conventional patch clamp techniques for measuring iAPs are either laborious and low throughput or not suitable for measuring electrically connected cardiomyocytes. In the last decade, a number of vertical nanoelectrodes have been demonstrated to achieve parallel and minimally-invasive iAP recordings. Nanoelectrodes show great promise, but the large variability in success rate, signal strength, and the low throughput of device fabrication have hindered them from being broadly adopted for proarrhythmia drug assessment. In this work, we developed vertically-aligned and semi-hollow nanocrown electrodes that are mechanically robust and made through a scalable fabrication process. Nanocrown electrodes achieve >99% success rates in obtaining intracellular access through electroporation, allowing reliable and simultaneous iAP recordings from up to 57 human pluripotent stem-cell-derived cardiomyocytes (hPSC-CMs). The accuracy of nanocrown electrode recordings is validated by simultaneous patch clamp recording from the same cell. Nanocrown electrodes enable prolonged iAP recording for continual monitoring of the same cells upon the sequential addition of four to five incremental drug doses. In this way, the dose-response data is self-referencing, which avoids the cell-to-cell variations inherent to hPSC-CMs. We are hopeful that this technology development is a step towards establishing an iAP screening assay for preclinical evaluation of drug-induced arrhythmogenicity.