Abstract Mathematical models of biomolecular networks are commonly used to study cellular processes; however, their usefulness to explain and predict dynamic behaviors is often questioned due to the unclear relationship between parameter uncertainty and network dynamics. In this work, we introduce PyDyNo (Python Dynamic analysis of biochemical NetwOrks), a non-equilibrium reaction-flux based analysis to identify dominant reaction paths within a biochemical reaction network calibrated to experimental data. We first show, in a simplified apoptosis execution model, that Bayesian parameter optimization can yield thousands of parameter vectors with equally good fits to experimental data. Our analysis however enables us to identify the dynamic differences between these parameter sets and identify three dominant execution modes. We further demonstrate that parameter vectors from each execution mode exhibit varying sensitivity to perturbations. We then apply our methodology to JAK2/STAT5 network in colony-forming unit-erythroid (CFU-E) cells to identify its signal execution modes. Our analysis identifies a previously unrecognized mechanistic explanation for the survival responses of the CFU-E cell population that would have been impossible to deduce with traditional protein-concentration based analyses. Impact Statement Given the mechanistic models of network-driven cellular processes and the associated parameter uncertainty, we present a framework that can identify dominant reaction paths that could in turn lead to unique signal execution modes (i.e., dominant paths of flux propagation), providing a novel statistical and mechanistic insights to explain and predict signal processing and execution.

ABSTRACT Understanding the laser-nanomaterials interaction including nanomaterial fragmentation has important implications in nanoparticle manufacturing, energy, and biomedical sciences. So far, three mechanisms of laser-induced fragmentation have been recognized including non-thermal processes and thermomechanical force under femtosecond pulses, and the phase transitions under nanosecond pulses. Here we show that single picosecond (ps) laser pulse stimulation leads to anomalous fragmentation of gold nanoparticles that deviates from these three mechanisms. The ps laser fragmentation was weakly dependent on particle size, and it resulted in a bimodal size distribution. Importantly, ps laser stimulation fragmented particles below the melting point and below the threshold for non-thermal mechanism. This study reveals a previously unknown regime of nanoparticle fragmentation.

Glioblastoma (GBM) is the most complex and lethal adult primary brain cancer. Adequate drug diffusion and penetration are essential for treating GBM, but how the spatial heterogeneity in GBM impacts drug diffusion and transport is poorly understood. Herein, we report a new method, photoactivation of plasmonic nanovesicles (PANO), to measure molecular diffusion in the extracellular space of GBM. By examining three genetically engineered GBM mouse models that recapitulate key clinical features including angiogenic core and diffuse infiltration, we found that the tumor margin has the lowest diffusion coefficient (highest tortuosity) compared with the tumor core and surrounding brain tissue. Analysis of the cellular composition shows that the tortuosity in the GBM is strongly correlated with neuronal loss and astrocyte activation. Our all-optical measurement reveals the heterogeneous GBM microenvironment and highlights the tumor margin as a diffusion barrier for drug transport in the brain, with implications for therapeutic delivery.

Cardiolipin is a unique anionic lipid found in mitochondrial membranes where it contributes to various mitochondrial functions, including metabolism, mitochondrial membrane fusion/fission dynamics, and apoptosis. Dysregulation of cardiolipin synthesis and remodeling have also been implicated in several diseases, such as diabetes, heart disease and Barth Syndrome. Although cardiolipin's structural and dynamic roles have been extensively studied in binary mixtures with other phospholipids, the biophysical properties of cardiolipin in ternary lipid mixtures are still not well resolved. Here, we used molecular dynamics simulations to investigate the cardiolipin-dependent properties of ternary lipid bilayer systems that mimic the major components of mitochondrial membranes. We found that changes to cardiolipin concentration only resulted in minor changes to bilayer structural features, but that the lipid diffusion was significantly affected by those alterations. We also found that cardiolipin position along the bilayer surfaces correlated to negative curvature deflections, consistent with the induction of negative curvature stress in the membrane monolayers. This work contributes to a foundational understanding of the role of CL in altering the properties in ternary lipid mixtures composed of the major mitochondrial phospholipids, providing much needed insights to help understand how cardiolipin concentration modulates the biophysical properties of mitochondrial membranes.

Abstract The blood-brain barrier (BBB) maintains an optimal environment for brain homeostasis but excludes most therapeutics from entering the brain. Strategies that can reversibly increase BBB permeability will be essential for treating brain diseases and is the focus of significant preclinical and translational interest. Recently, we reported that picosecond laser excitation of molecular-targeted gold nanoparticles (AuNPs) induced a graded and reversible increase in BBB permeability in vivo (OptoBBB). Here we investigate how to increase the targeting efficiency and how picosecond lase stimulation of AuNP leads to an increase in endothelial paracellular permeability. Our results suggest that targeting brain endothelial glycoproteins leads to >20-fold higher targeting efficiency compared with tight junction targeting. We report that OptoBBB is associated with a transient elevation of Ca 2+ that propagates to adjacent endothelial cells after laser excitation and extends the region of BBB opening. The Ca 2+ response involves both internal Ca 2+ depletion and Ca 2+ influx. Furthermore, we demonstrate that the involvement of actin polymerization and Ca 2+ -dependent phosphorylation of ERK1/2 lead to cytoskeletal activation, increasing paracellular permeability. Taken together, we provide mechanistic insight into how excitation of endothelial targeted AuNPs leads to an increase in BBB permeability. These insights will be critical for guiding the future developments of this technology for brain disease treatment.