J. Phys. France 47, 1555-1563 (1986)
DOI: 10.1051/jphys:019860047090155500

Non-linear electron spin resonance study of archaebacteria lipid dynamics

S. Bruno¹, A. Gliozzi¹ et S. Cannistraro<sup>2

1</sup>  Dipartimento di Fisica dell'Università, Genova, Italy
²  Dipartimento di Fisica dell'Università, Perugia, Italy

Abstract
The spectral diffusion occurring in non-linear electron spin resonance experiments performed at a suitable frequency of field modulation is exploited to gain dynamical information on an unusual class of lipids extracted from bacteria living in extreme physical conditions (high temperature and very low pH). These lipids are quite different from the usual fatty acid lipids and their molecular structure seems to play a particular role in the stability of the plasma membrane of these bacteria. An accurate and extensive determination of the magnetic instrumental parameters allowed a reliable calculation of the rotational correlation time of suitable spin labelled lipids which mimic the dynamical behaviour of the lipids under investigation. The lipids investigated have been shown to undergo an anisotropic molecular motion characterized by a very slow correlation time even at very high temperatures. The very slow anisotropic motion of these lipids indicates the ability of their nonitol polar heads to establish strong cooperative interactions which, from a biophysical point of view, could be invoked to explain the great stability of the plasma membrane even under those extreme environmental conditions.

Résumé
On utilise la diffusion spectrale qui apparait dans les expériences de résonance paramagnétique électronique lorsque le champ magnétique est modulé à une fréquence adéquate, afin d'obtenir des informations sur la dynamique d'une classe inhabituelle de lipides qui sont extraits de bactéries vivant dans des conditions physiques extremes (haute température et très bas pH). Ces lipides sont très différents des lipides usuels qui sont proches des acides gras, et leur structure moléculaire semble jouer un rôle remarquable pour la stabilité de la membrane plasmique de ces bactéries. Une détermination complète des paramètres expérimentaux permet de calculer le temps de corrélation rotationnel de lipides marqués par un spin électronique qui limitent le comportement dynamiquè des lipides de ces bactéries. On trouve que les lipides étudiés ont des mouvements moléculaires anisotropes caractérisés par un temps de corrélation très long même à des températures très élevées. Les mouvements anisotropes très lents de ces liquides indiquent que leurs têtes polaires nonitol sont capables d'établir entre elles des interactions fortement coopératives; d'un point de vue biophysique, ces interactions pourraient être invoquées pour expliquer la grande stabilité de la membrane plasmique dans ces conditions extremes.

PACS
8715H - Dynamics and conformational changes.
8715M - Spectra, photodissociation, and photoionization; luminescence.
8716D - Membranes, bilayers, and vesicles.

Key words
lipid bilayers -- macromolecular dynamics -- molecular biophysics -- paramagnetic resonance