Light scattering on the structural characterization of DMPG vesicles along the bilayer anomalous phase transition

Abstract

Highly charged vesicles of the saturated anionic lipid dimyristoyl phosphatidylglycerol (DMPG) in low ionic strength medium exhibit a very peculiar thermo-structural behavior. Along a wide gel-fluid transition region, DMPG dispersions display several anomalous characteristics, like low turbidity, high electrical conductivity and viscosity. Here, static and dynamic light scattering (SLS and DLS) were used to characterize DMPG vesicles at different temperatures. Similar experiments were performed with the largely studied zwitterionic lipid dimyristoyl phosphatidylcholine (DMPC). SLS and DLS data yielded similar dimensions for DMPC vesicles at all studied temperatures. However, for DMPG, along the gel-fluid transition region, SLS indicated a threefold increase in the vesicle radius of gyration, whereas the hydrodynamic radius, as obtained from DLS, increased 30% only. Despite the anomalous increase in the radius of gyration, DMPG lipid vesicles maintain isotropy, since no light depolarization was detected. Hence, SLS data are interpreted regarding the presence of isotropic vesicles within the DMPG anomalous transition, but highly perforated vesicles, with large holes. DLS/SLS discrepancy along the DMPG transition region is discussed in terms of the interpretation of the Einstein-Stokes relation for porous vesicles. Therefore, SLS data are shown to be much more appropriate for measuring porous vesicle dimensions than the vesicle diffusion coefficient. The underlying nanoscopic process which leads to the opening of pores in charged DMPG bilayer is very intriguing and deserves further investigation. One could envisage biotechnological applications, with vesicles being produced to enlarge and perforate in a chosen temperature and/or pH value.

Caracterização estrutural de dispersões aquosas de lipídios aniônicos

“…Em condições fisiológicas (força iônica ~ 150 mM e pH ~ 7,4), o DMPG apresenta uma transição de fase gel-fluido altamente cooperativa, em torno de 23 o C. Nestas condições, seu comportamento é análogo ao de dimiristoil fosfatidilcolina (DMPC), cuja cabeça polar é zwiteriônica (apresenta cargas positiva e negativa). No entanto, a baixa força iônica (~ 6 mM), o DMPG exibe um comportamento termo-estrutural distinto e muito interessante (Alakoskela e Kinnunen, 2007;Heimburg e Biltonen, 1994;Lamy-Freund e Riske, 2003;Riske et al, 1997Riske et al, ,1999Riske et al, , 2001Riske et al, , 2004Salonen et al, 1989;Schneider et al, 1999;Barroso et al, 2010, Enoki et al, 2012, apresentando uma "região de transição de fase", entre as fases gel e fluida, aproximadamente entre 18 (Tm on ) e 35 o C (Tm off ). No perfil de Calorimetria Diferencial de Varredura (DSC) aparece um pico estreito de absorção de calor em Tm on , seguido por outros mais largos, sendo o último em Tm off (Salonen et al, 1989;Heimburg e Biltonen, 1994;Riske et al, 1997;.…”

“…O estudo com as dispersões de DMPG em água foi realizado para dispersões extrusadas e não extrusadas, portanto mais e menos polidispersas. Nos trabalhos anteriores, a extrusão das dispersões de DMPG em tampão a baixa força iônica só foi realizada em Enoki et al, 2012, para medidas de espalhamento de luz. Como o processo de extrusão diminui a polidispersidade das dispersões, resultando em agregados de tamanhos mais homogêneos, realizamos medidas com as diversas técnicas experimentais de dispersões extrusadas de DMPG em tampão a baixa força iônica e comparamos estes resultados com os de dispersões em tampão não extrusadas (Barroso, 2010) e também com os resultados obtidos para as dispersões em água.…”

“…Conforme mostrado anteriormente em diferentes trabalhos (Salonen et al, 1989;Heimburg & Bitonenm 1994;Riske et al, 2001Riske et al, , 2009Lamy-Freund &Riske, 2003;Alakoskela & Kinnunen, 2007;Kinoshita et al, 2008;Barroso et al, 2010;Enoki et al, 2012) consequentemente menor cooperatividade (Heimburg, 2007;Enoki, 2010).…”

“…Já para as dispersões de DMPG, observamos que as curvas de espalhamento nas temperaturas da região de transição de fase (20 e 28°C) não são bem ajustadas por retas, estando mais próximas de polinômios de 2° grau (figura 5.6.7) e, portanto, não estando de acordo com a equação 2.3.13. (Enoki et al, 2012).…”

“…Medidas de absorbância a 350 nm, em função da temperatura, de dispersões de 10 mM de DMPG em água, antes (pontos azuis) e depois (pontos vermelhos) da extrusão, sendo o caminho óptico de 2 mm.A partir da figura 4.5.1, vemos que nas dispersões em água a absorbância tem uma brusca queda após T1, indo para valores próximos a zero, sendo visivelmente transparentes, e a dispersão permanece transparente para temperaturas até 60°C.Diferente do que aconteceu nas medidas de DSC, viscosidade e condutividade elétrica, vemos uma diferença significativa após a extrusão da amostra, na fase gel do DMPG em água. Como a turbidez é muito mais sensível à presença de partículas grandes, devemos ter alguns pouco agregados maiores que são eliminados após a extrusão.EmEnoki et al, 2012 foi observado o aumento no tamanho dos agregados de DMPG em tampão à baixa força iônica na região de transição de fase, tanto por DLS quanto por SLS. Realizou-se um estudo com as mesmas técnicas para dispersões extrusadas, através de filtros de 100 nm, de DMPG em água com diferentes concentrações lipídicas e os resultados são apresentados a seguir.…”