The structure, dynamics and function of lipid vesicles are heavily influenced by a range of physical forces, local microenvironmental effects and interactions with perturbative molecules, including detergents. Detergent-induced membrane interactions - critical for a wide range of applications including protein extraction and virus inactivation - varies in magnitude according to the detergent type and membrane composition, but the underlying mechanistic details remain largely under explored. Open questions relate to the precise molecular-level pathway of detergent-induced vesicle fusion, the nature of the fusion products, the influence of modulatory factors, and whether fusion states can be controllably harnessed for bionanotechnology. By using a lipid mixing assay based on Förster resonance energy transfer (FRET), and single-vesicle characterization approaches to assess vesicle heterogeneity, we identify that both freely-diffusing and surface-tethered sub-micron sized vesicles are induced to fuse by the widely used non-ionic detergent Triton-X 100. We demonstrate that the fusion process is a multi-step mechanism, characterized by discrete values of FRET efficiency between membrane-embedded donor and acceptor fluorophores, and involves vesicle docking, hemi-fusion and full lipid mixing, even at sub-solubilizing detergent concentrations. We present evidence that the fusion process is regulated by environmental factors including membrane composition and phase, and we dissect the kinetics of vesicle fusion in contact with solid surfaces using a label free quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring approach. The presented strategies are likely to be applicable beyond the vesicle sizes and compositions studied here, and not only provide mechanistic insight into the multifaceted dynamics of vesicle fusion but also have implications for a wide range of biotechnological applications including drug delivery, sensor development, surfactant sensing, biomimetic formation, and microfluidics, where transport and manipulation of encapsulated cargo is essential.

The solubilization of membranes by detergents is critical for many technological applications and has become widely used in biochemistry research to induce cell rupture, extract cell constituents, and to purify, reconstitute and crystallize membrane proteins. The thermodynamic details of solubilization have been extensively investigated, but the kinetic aspects remain poorly understood. Here we used a combination of single-vesicle Förster resonance energy transfer (svFRET), fluorescence correlation spectroscopy and quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring to access the real-time kinetics and elementary solubilization steps of sub-micron sized vesicles, which are inaccessible by conventional diffraction-limited optical methods. Real-time injection of a non-ionic detergent, Triton X, induced biphasic solubilization kinetics of surface-immobilized vesicles labelled with the Dil/DiD FRET pair. The nanoscale sensitivity accessible by svFRET allowed us to unambiguously assign each kinetic step to distortions of the vesicle structure comprising an initial fast vesicle-swelling event followed by slow lipid loss and micellization. We expect the svFRET platform to be applicable beyond the sub-micron sizes studied here and become a unique tool to unravel the complex kinetics of detergent-lipid interactions.

DNA molecular machines have great potential for use in computing systems. Since Adleman originally introduced the concept of DNA computing through his use of DNA strands to solve a Hamiltonian path problem, a range of DNA-based computing elements have been developed, including logic gates, neural networks, finite state machines (FSMs) and non-deterministic universal Turing machines. It has also been established that DNA molecular machines can be controlled using electrical signals and that the state of DNA nanodevices can be measured using an electrochemical readout. However, to the best of our knowledge there has as yet been no demonstration of a fully integrated biomolecular computing system that has multiple levels of information processing capacity, can accept electronic inputs and is capable of independent operation. In this paper we address the question of how such a system could work. We present simulation results showing that such an integrated hybrid system could convert electrical impulses into biomolecular signals, perform logical operations and take a decision, storing its history. We also illustrate theoretically how such a system could potentially be used to perform a task such as controlling an autonomous robot navigating through a maze.

Abstract The interaction of Tween-20 with lipid membranes is crucial for a number of biotechnological applications including viral inactivation and membrane protein extraction, but the underlying mechanistic details have remained elusive. Evidence from ensemble assays supports a global model of Tween-20 induced membrane disruption that broadly encompasses association of the surfactant with the membrane surface, membrane fragmentation and the release of mixed micelles to solution, but whether this process involves intermediate and dynamic transitions between regimes is an open question. In search of the mechanistic origins of membrane disruption, increasing focus is put on identifying Tween-20 interactions with highly controllable model membranes. In light of this, and to unveil quantitative mechanistic details, we employed highly interdisciplinary biophysical approaches, including quartz-crystal microbalance with dissipation monitoring, steady-state and time-resolved fluorescence and FRET spectroscopy, dynamic light scattering, fluorescence correlation spectroscopy, wide-field single-vesicle imaging and scanning electron microscopy, to interrogate the interactions between Tween-20 and both freely-diffusing and surface-immobilized model-membrane vesicles. Using ultrasensitive sensing approaches, we discovered that Tween-20 leads to a stepwise and phase-dependent structural remodelling of sub-micron sized vesicles that includes permeabilization and swelling, even at detergent concentrations below the critical micellar concentration. These insights into the structural perturbation of lipid vesicles upon Tween-20 interaction highlight the impact on vesicle conformation prior to complete solubilization, and the tools presented may have general relevance for probing the interaction between lipid vesicles and a wide variety of disruptive agents.

Abstract Membrane solubilization by sodium dodecyl sulfate (SDS) is indispensable for many established biotech-nological applications, including viral inactivation and protein extraction. Although the ensemble thermo-dynamics have been thoroughly explored, the underlying molecular dynamics have remained inaccessible, owing to major limitations of traditional measurement tools. Here, we integrate multiple advanced biophysical approaches to gain multi-angle insight into the time-dependence and fundamental kinetic steps associated with the solubilization of single sub-micron sized vesicles in response to SDS. We find that the accumulation of SDS molecules on in-tact vesicles triggers biphasic solubilization kinetics comprising an initial vesicle expansion event followed by rapid lipid loss and micellization. Our findings support a general mechanism of detergent-induced membrane solubilization and we expect the framework of correlative biophysical technologies presented here will form a general platform for elucidating the complex kinetics of membrane perturbation induced by a wide variety of surfactants and disrupting agents.