journal article·2025Open access

Membrane-mediated interactions between arc-shaped particles strongly depend on membrane curvature

Francesco Bonazzi, Thomas R. Weikl

Nanoscale· Volume 17· Issue 11

Abstract

Besides direct molecular interactions, proteins and nanoparticles embedded in or adsorbed to membranes experience indirect interactions that are mediated by the membranes. Membrane-mediated interactions between curvature-inducing proteins or nanoparticles can lead to assemblies of particles that generate highly curved spherical or tubular membrane shapes, but have mainly been quantified for planar or weakly curved membranes. In this article, we systematically investigate the membrane-mediated interactions of arc-shaped particles adsorbed to a variety of tubular and spherical membrane shapes with coarse-grained modelling and simulations. These arc-shaped particles induce membrane curvature by binding to the membrane with their inner, concave side akin to N-BAR domain proteins. We determine both the pairwise interaction free energy, which includes entropic contributions due to rotational entropy loss at close particle distances, and the pairwise interaction energy without entropic components from particle distributions observed in the simulations. For membrane shapes with small curvature, the membrane-mediated interaction free energies of particle pairs exceed the thermal energy kBT and can lead to particle ordering and aggregation. The interactions strongly decrease with increasing curvature of the membrane shape and are minimal for tubular shapes with membrane curvatures close to the particle curvature.
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Research context

OpenAlex topics: Lipid Membrane Structure and Behavior · Polymer Surface Interaction Studies · Proteins in Food Systems

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Max Planck Institute of Colloids and Interfaces, Am Mühlenberg 1, 14476 Potsdam, Germany

Funding

Max-Planck-Gesellschaft · Deutsche Forschungsgemeinschaft

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