Phospholipid bilayers have been formed on glass, quartz, and silicon surfaces by a sequential transfer of two monolayers at a pressure of approximately 40 dyn/cm from the air-water interface to the solid substrates. Lateral diffusion measurements of L-alpha-dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) bilayers supported on oxidized silicon wafers reveal two sharp phase transitions at temperatures similar to those found in multilayer systems with several different techniques. The diffusion measurements obtained using fluorescence recovery after pattern photobleaching provide evidence for the existence of an intermediate (probably P beta' or ripple) phase in single bilayers. While in the intermediate and high temperature (liquid-crystalline L alpha) phase, the diffusion coefficients do not vary very much with temperature, a strong temperature dependence is observed in the low temperature (gel L beta') phase. This is attributed to defect-mediated diffusion. Lipids in silicon supported bilayers made from L-alpha-dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) or L-alpha-dimyristoylphosphatidylcholine (DMPC) diffuse rapidly above their respective chain-melting transition temperatures. Arrhenius plots show straight lines with activation energies of 40.9 and 43.7 kJ/mol, respectively. Supported DPPC bilayers on oxidized silicon form long tubular liposomes when heated through their oxidized silicon form long tubular liposomes when heated through their chain-melting-phase transition, as viewed with epifluorescence microscopy. It is suggested that this is a consequence of the expansion of the lipid on the fixed solid support. Conversely, DOPC bilayers form large void areas on this substrate upon cooling. Large circular membrane defects (holes) are observed under rapid coating conditions. The formation of these defects is modulated by including small amounts of lyso-L-palmitoyl phosphatidylcholine in the DMPC-supported bilayers. A simple model describes the dependence of hole size and hole number on the concentration of lysolecithin.

A technique for the production of supported phospholipid bilayers by adsorption and fusion of small unilamellar vesicles to supported phospholipid monolayers on quartz is described. The physical properties of these supported bilayers are compared with those of supported bilayers which are prepared by Langmuir-Blodgett deposition or by direct vesicle fusion to plain quartz slides. The time courses of vesicle adsorption, fusion and desorption are followed by total internal reflection fluorescence microscopy and the lateral diffusion of the lipids in the adsorbed layers by fluorescence recovery after photobleaching. Complete supported bilayers can be formed with phosphatidylcholine vesicles at concentrations as low as 35 μM. However, the adsorption, fusion and desorption kinetics strongly depend on the used lipid, NaCl and Ca2+ concentrations. Asymmetric negatively charged supported bilayers can be produced by incubating a phosphatidylcholine monolayer with vesicles composed of 80% phosphatidylcholine and 20% phosphatidylglycerol. Adsorbed vesicles can be removed by washing with buffer. The measured fluorescence intensities after washing are consistent with single supported bilayers. The lateral diffusion experiments confirm that continuous extended bilayers are formed by the monolayer-fusion technique. The measured lateral diffusion coefficient of NBD-labeled phosphatidylethanolamine is (3.6±0.5)·10−8 cm2/s in supported phosphatidylcholine bilayers, independent of the method by which the bilayers were prepared.

There is increasing interest in supported membranes as models of biological membranes and as a physiological matrix for studying the structure and function of membrane proteins and receptors. A common problem of protein-lipid bilayers that are directly supported on a hydrophilic substrate is nonphysiological interactions of integral membrane proteins with the solid support to the extent that they will not diffuse in the plane of the membrane. To alleviate some of these problems we have developed a new tethered polymer-supported planar lipid bilayer system, which permitted us to reconstitute integral membrane proteins in a laterally mobile form. We have supported lipid bilayers on a newly designed polyethyleneglycol cushion, which provided a soft support and, for increased stability, covalent linkage of the membranes to the supporting quartz or glass substrates. The formation and morphology of the bilayers were followed by total internal reflection and epifluorescence microscopy, and the lateral diffusion of the lipids and proteins in the bilayer was monitored by fluorescence recovery after photobleaching. Uniform bilayers with high lateral lipid diffusion coefficients (0.8-1.2 x 10(-8) cm(2)/s) were observed when the polymer concentration was kept slightly below the mushroom-to-brush transition. Cytochrome b(5) and annexin V were used as first test proteins in this system. When reconstituted in supported bilayers that were directly supported on quartz, both proteins were largely immobile with mobile fractions < 25%. However, two populations of laterally mobile proteins were observed in the polymer-supported bilayers. Approximately 25% of cytochrome b(5) diffused with a diffusion coefficient of approximately 1 x 10(-8) cm(2)/s, and 50-60% diffused with a diffusion coefficient of approximately 2 x 10(-10) cm(2)/s. Similarly, one-third of annexin V diffused with a diffusion coefficient of approximately 3 x 10(-9) cm(2)/s, and two-thirds diffused with a diffusion coefficient of approximately 4 x 10(-10) cm(2)/s. A model for the interaction of these proteins with the underlying polymer is discussed.

Transmembrane β-barrels have considerable potential for a broad range of sensing applications. Current engineering approaches for nanopore sensors are limited to naturally occurring channels, which provide suboptimal starting points. By contrast, de novo protein design can in principle create an unlimited number of new nanopores with any desired properties. Here we describe a general approach to designing transmembrane β-barrel pores with different diameters and pore geometries. Nuclear magnetic resonance and crystallographic characterization show that the designs are stably folded with structures resembling those of the design models. The designs have distinct conductances that correlate with their pore diameter, ranging from 110 picosiemens (~0.5 nanometer pore diameter) to 430 picosiemens (~1.1 nanometer pore diameter). Our approach opens the door to the custom design of transmembrane nanopores for sensing and sequencing applications.

Abstract Synaptotagmin 1 is a vesicle-anchored membrane protein that functions as the Ca 2+ sensor for synchronous neurotransmitter release. In this work, an arginine containing region in the second C2 domain of synaptotagmin 1 (C2B) is shown to control the expansion of the fusion pore and thereby the concentration of neurotransmitter released. This arginine apex, which is opposite the Ca 2+ binding sites, interacts with membranes or membrane reconstituted SNAREs; however, only the membrane interactions occur under the conditions in which fusion takes place. Other regions of C2B influence the probably and kinetics of fusion but do not control the expansion of the fusion pore. These data indicate that the C2B domain has at least two distinct molecular roles in the fusion event, and the data are consistent with a novel model where the arginine apex of C2B positions the domain at the curved membrane surface of the expanding fusion pore.

Abstract The ability of naturally occurring transmembrane β-barrel proteins (TMBs) to spontaneously insert into lipid bilayers and form stable transmembrane pores is a remarkable feat of protein evolution and has been exploited in biotechnology for applications ranging from single molecule DNA and protein sequencing to biomimetic filtration membranes. Because it has not been possible to design TMBs from first principles, these efforts have relied on re-engineering of naturally occurring TMBs that generally have a biological function very different from that desired. Here we leverage the power of de novo computational design coupled with a “hypothesis, design and test” approach to determine principles underlying TMB structure and folding, and find that, unlike almost all other classes of protein, locally destabilizing sequences in both the β-turns and β-strands facilitate TMB expression and global folding by modulating the kinetics of folding and the competition between soluble misfolding and proper folding into the lipid bilayer. We use these principles to design new eight stranded TMBs with sequences unrelated to any known TMB and show that they insert and fold into detergent micelles and synthetic lipid membranes. The designed proteins fold more rapidly and reversibly in lipid membranes than the TMB domain of the model native protein OmpA, and high resolution NMR and X-ray crystal structures of one of the designs are very close to the computational model. The ability to design TMBs from first principles opens the door to custom design of TMBs for biotechnology and demonstrates the value of de novo design to investigate basic protein folding problems that are otherwise hidden by evolutionary history. One sentence summary Success in de novo design of transmembrane β-barrels reveals geometric and sequence constraints on the fold and paves the way to design of custom pores for sequencing and other single-molecule analytical applications.

Synaptotagmin-7 (Syt-7) is one of two major calcium sensors for exocytosis in adrenal chromaffin cells, the other being synaptotagmin-1 (Syt-1). Despite its undoubted importance, questions remain as to the functional and physiological role of Syt-7 in secretion. We examined this issue using two distinct preparations - mouse chromaffin cells lacking endogenous Syt-7 (KO cells) and a reconstituted system employing cell-derived vesicles expressing either Syt-7 or Syt-1. First, we report using immunofluorescence that Syt-7 exhibits a punctate intracellular distribution consistent with its sorting to organelles, including dense core vesicles. We also find that the likelihood of vesicle fusion in KO cells is markedly lower than in WT cells. When fusion does occur, cargoes are discharged more rapidly when only Syt-1 is available to facilitate release. A distinctive characteristic of KO cells is that secretion runs down after prolonged cholinergic stimulation. In contrast, exocytosis persists in WT cells even with extended exposure to acetylcholine, suggesting a key role for Syt-7 in sustaining the secretory response. To determine the extent to which the aforementioned results are attributable purely to Syt-7, vesicles expressing only Syt-7 or Syt-1 were triggered to fuse on planar supported bilayers bearing plasma membrane SNARE proteins. Here, as in cells, Syt-7 confers substantially greater calcium sensitivity to vesicle fusion than Syt-1 and slows the rate at which cargos are released. Overall, this study demonstrates that by virtue of its high affinity for calcium, Syt-7 plays a central role in regulating secretory output from adrenal chromaffin cells.