J. Phys. France 50, 1535-1555 (1989)
DOI: 10.1051/jphys:0198900500120153500

Molecular friction and epitactic coupling between monolayers in supported bilayers

R. Merkel¹, E. Sackmann¹ et E. Evans<sup>2

1</sup>  Physik Department (Biophysics Group E22), Technische Universität München, D-8046 Garching, F. R. G.
²  Departments of Pathology and Physics, University of British Columbia, Vancouver, B.C. Canada, V6T 1W5

Abstract
Microfluorescence methods were used to examine monolayer-monolayer and bilayer-substrate coupling in bilayers deposited on glass substrates. In the first part, lateral diffusion of lipid probes in individual lipid layers was measured by the fluorescence recovery after photobleach technique. The aim was to evaluate viscous molecular friction (i) between monolayers that form a single bilayer and (ii) between a bilayer and an adjacent substrate based on a recent phenomenological theory for particle mobility in substrate-coupled membranes (Evans and Sackmann, J. Fluid Mech. 194 (1988) 553 [1]). To obtain coefficients for friction between monolayers, a bilayer was formed with the first (proximal) monolayer fixed to the glass substrate by Si-O-bonds (using silanes) or by ion bridges (using cadmium arachidate) ; then, probe diffusion was measured in the second (distal) monolayer formed by phospholipids. The coefficient for viscous friction (defined by b s-interfacial shear stress/interfacial « slip » velocity) between monolayers with fluid chains (DMPC or DOPC on silane) was calculated to be in the range bs = 106-107 dyn-sec/cm3 ; between a fluid and a solid monolayer (DOPC on Cd-arachidate), the frictional coefficient was much larger, i.e. bs = 1-5 × 108 dyn-sec/cm3. For two opposing monolayers with liquid chains, it was found that bs increased with the degree of interdigitation between the hydrocarbon chains. To investigate the effect of lubrication by a water film between a fluid bilayer and the substrate, the substrate was first Argon sputtered which acted to separate the proximal monolayer from the substrate by a thin lubricating water film (thickness in nm region). The frictional coefficient between the bilayer and the substrate was measured to be in the range bs = 2 x 103-3 × 105 dyn-sec/cm3 which implied that the film thickness was from 1-50 nm. In the second part, we studied the effect of monolayer-monolayer and bilayer-substrate coupling on the acyl-chain crystallization transitions in monolayers of supported bilayers. Symmetric bilayers (separated from the substrate by a water film) exhibited sharp phase transitions at about the same transition temperature as the free bilayers. The transition temperature for asymmetric bilayers was between the transition temperatures for the individual monolayer components. Bilayers formed by phospholipid monolayers on silanes showed a concerted but continuous phase transition which appeared to be due to the constraint of fixed total area and interdigitation of the two monoalayers. By doping the monolayers with different fluorescent probes (NBD and Texas Red lipid analogs), it was demonstrated that, when the proximal layer was in a solid or liquid-solid coexistence state, a phase transition was induced in the superficial monolayer even if this layer was deposited from the fluid state. It was also observed that the patterns of fluid and solid domains in both layers were in complete register. On the other hand, a fluid monolayer of unsaturated lipids on tightly -packed crystalline proximal monolayer was able to undergo a separate phase transition.

Résumé
On présente des résultats expérimentaux pour la diffusion latérale de lipides fluorescents dans des bicouches déposées sur des substrats vitreux. A l'aide d'une récente théorie phénoménologique pour la diffusion sur un substrat de membrane couplée (Evans et Sackmann, 1988), on détermine la friction moléculaire intrinsèque entre les deux couches qui forment la bicouche et entre la bicouche et le substrat. On mesure les coefficients de friction entre les couches en fixant la couche mononucléaire proximale sur le substrat par des liaisons Si-O (en utilisant des silanes) ou par des ponts ioniques (arachidate de cadmium). On trouve un coefficient de friction ( = rapport entre force de cisaillement et vitesse instantanée) entre deux monocouches de fluide (DMPC dans le silane) bs égal à 3 x 105 dyne s/cm 3 et entre le fluide et la monocouche solide (DOPC sur arachidate de Cd) égal à 5 × 107 dyne s/cm3. Dans le premier cas, bs augmente avec le degré d'interdigitation entre les chaînes d'hydrocarbure. Afin d'étudier la friction entre la bicouche et le substrat, cette dernière est bombardée par de l'argon, ce qui provoque la séparation du substrat et de la monocouche par un film d'eau lubrifiant ultrafin (épaisseur de l'ordre du nm). On trouve un coefficient de friction entre la bicouche et le substrat bs = 6 × 104 dyne s/cm3 , d'où on déduit une épaisseur du film d'eau égale à 10 Å. Le second aspect de cette étude concerne les transitions de phase et le couplage monocouche-monocouche. Des bicouches symétriques séparées du substrat par un film d'eau présentent des transitions de phase abruptes à peu près à la même température que des bicouches libres (vésicules). La température de transition de bicouches asymétriques se trouve entre les valeurs correspondant à chacune des composantes. Les bicouches formées de phospholipides dans les silanes présentent une transition de phase continue à cause des contraintes imposées par une surface totale fixée. En perturbant les monocouches par l'adjonction de marqueurs fluorescents (NBD et Texas Red), on démontre que la couche proximale dans un solide ou dans un état de coexistence fluide-solide induit une transition de phase dans la couche distale (par exemple, DMPC) même si elle est déposée à partir de l'état fluide. Les monocouches de lipides insaturés sous forme cristalline compacte peuvent subir une transition de phase indépendante.

PACS
8716D - Membranes, bilayers, and vesicles.

Key words
lipid bilayers -- molecular biophysics