A challenge in the treatment of Staphylococcus aureus infections is the high prevalence of methicillin-resistant S. aureus (MRSA) strains and the formation of non-growing, dormant 'persister' subpopulations that exhibit high levels of tolerance to antibiotics and have a role in chronic or recurrent infections. As conventional antibiotics are not effective in the treatment of infections caused by such bacteria, novel antibacterial therapeutics are urgently required. Here we used a Caenorhabditis elegans-MRSA infection screen to identify two synthetic retinoids, CD437 and CD1530, which kill both growing and persister MRSA cells by disrupting lipid bilayers. CD437 and CD1530 exhibit high killing rates, synergism with gentamicin, and a low probability of resistance selection. All-atom molecular dynamics simulations demonstrated that the ability of retinoids to penetrate and embed in lipid bilayers correlates with their bactericidal ability. An analogue of CD437 was found to retain anti-persister activity and show an improved cytotoxicity profile. Both CD437 and this analogue, alone or in combination with gentamicin, exhibit considerable efficacy in a mouse model of chronic MRSA infection. With further development and optimization, synthetic retinoids have the potential to become a new class of antimicrobials for the treatment of Gram-positive bacterial infections that are currently difficult to cure.

Viscosity is a key property of cell membranes that controls mobility of embedded proteins and membrane remodeling. Measuring it is challenging because existing approaches involve complex experimental designs and/or models, and the applicability of some is limited to specific systems and membrane compositions. As a result there is scarcity of data and the reported values for membrane viscosity vary by orders of magnitude for the same system. Here, we show how viscosity of bilayer membranes can be obtained from the transient deformation of giant unilamellar vesicles. The approach enables a non-invasive, probe-independent and high-throughput measurement of the viscosity of bilayers made of lipids or polymers with a wide range of compositions and phase state. Pure lipid and single-phase mixed bilayers are found to behave as Newtonian fluids with strain-rate independent viscosity, while phase-separated and diblock-copolymers systems exhibit shear-thinning in the explored range of strain rates 1-2000 s−1. The results also reveal that electrically polarized bilayers can be significantly more viscous than charge-neutral bilayers. These findings suggest that biomembrane viscosity is a dynamic property that can be actively modulated not only by composition but also by membrane polarization, e.g., as in action potentials.

Biological cells exhibit the remarkable ability to adapt their shape in response to their environment, a phenomenon that hinges on the intricate interplay between their deformable membrane and the underlying activity of their cytoskeleton. Yet, the precise physical mechanisms of this coupling remain mostly elusive. Here, we introduce a synthetic cell model, comprised of an active cytoskeletal network of microtubules, crosslinkers and molecular motors encapsulated inside giant vesicles. Remarkably, these active vesicles exhibit large shape fluctuations and life-like morphing abilities. Active forces from the encapsulated cytoskeleton give rise to large-scale traveling membrane deformations. Quantitative analysis of membrane and microtubule fluctuations shows how the intricate coupling of confinement, membrane material properties and cytoskeletal forces yields fluctuation spectra whose characteristic scales in space and time are distinctly different from passive vesicles. We demonstrate how activity leads to uneven probability fluxes between fluctuation modes and hence sets the temporal scale of membrane fluctuations. Using simulations and theoretical modelling, we extend the classical approach to membrane fluctuations to active cytoskeleton-driven vesicles, highlighting the effect of correlated activity on the dynamics of membrane deformations and paving the way for quantitative descriptions of the shape-morphing ability typical of living systems.

As a core component of biological and synthetic membranes, lipid bilayers are key to compartmentalizing chemical processes. Bilayer morphology and mechanical properties are heavily influenced by electric fields, such as those caused by biological ion concentration gradients. We present atomistic simulations exploring the effects of electric fields applied normally and laterally to lipid bilayers. We find that normal fields decrease membrane tension, while lateral fields increase it. Free energy perturbation calculations indicate the importance of dipole-dipole interactions to these tension changes, especially for lateral fields. We additionally show that membrane area compressibilities can be related to their cohesive energies, allowing us to estimate changes in membrane bending rigidity under applied fields. We find that normal and lateral fields decrease and increase bending rigidity, respectively. These results point to the use of directed electric fields to locally control membrane stiffness, thereby modulating associated cellular processes.

A widely used method to measure the bending rigidity of bilayer membranes is fluctuation spectroscopy, which analyses the thermally-driven membrane undulations of giant unilamellar vesicles recorded with either phase-contrast or confocal microscopy. Here, we analyze the fluctuations of the same vesicle using both techniques and obtain consistent values for the bending modulus. We discuss the factors that may lead to discrepancies.

Nonlinear electrokinetic phenomena, where electrically driven fluid flows depend nonlinearly on the applied voltage, are commonly encountered in aqueous suspensions of colloidal particles. A prime example is the induced-charge electro-osmosis, driven by an electric field acting on diffuse charge induced near a polarizable surface. Nonlinear electrohydrodynamic flows also occur in non-polar fluids, driven by the electric field acting on space charge induced by conductivity gradients. Here, we analyse the flows about a charge-neutral spherical solid particle in an applied uniform electric field that arise from conductivity dependence on local field intensity. The flow pattern varies with particle conductivity: while the flow about a conducting particle has a quadrupolar pattern similar to induced-charge electro-osmosis, albeit with opposite direction, the flow about an insulating particle has a more complex structure. We find that this flow induces a force on a particle near an electrode that varies non-trivially with particle conductivity: while it is repulsive for perfectly insulating particles and particles more conductive than the suspending medium, there exists a range of particle conductivities where the force is attractive. The force decays as the inverse square of the distance to the electrode and thus can dominate the dielectrophoretic attraction due to the image dipole, which falls off with the fourth power with the distance. This electrohydrodynamic lift opens new possibilities for colloidal manipulation and driven assembly by electric fields.