Transient Pores, Adhesion and Fusion of Giant Vesicles
Pores transitoires, adhésion et fusion des vésicules géantes
Résumé
Giant vesicles are artificial objects used to mimic the lipid envelope of biological cells, or plasma membrane, delimiting the cell interior from the outer medium. Among all the systems modeling biological membranes (monomolecular layers at the air/water interface, bilayers supported on a solid substrate, black lipid membranes, etc.…), giant vesicles are the softest and the easiest to change their shapes. Their membrane is a thin fluid sheet with indeed almost no surface tension. Nevertheless, it can be stretched by an external action. The value of the so created mechanical tension lies far below the usual interfacial tensions of liquids. However, with giant vesicles, the necessity to relax this low tension is a sufficient factor to cause major reorganizations of lipids. This work highlights two types of transformation: i) transient rupture of the membrane, and the leakage of the inner fluid through a giant macroscopic pore; ii) fusion of neighboring membranes, via the steps of hemifusion and then of a fusion pore. Experimental observations have been obtained mainly by fluorescence microscopy. A simple hydrodynamic theory describes the viscous dissipation inside the membrane and in the surrounding solvent. Besides, a novel imaging technique developed recently, namely the second harmonic generation (SHG) microscopy provides complementary information about the distance profile of adhering membranes. Finally, giant vesicles decorated with proteins enable to get a little closer to the reality of cell adhesion.
Chapter I presents the general characteristics of vesicles, and the manipulations enabling to put them under tension. The experimental protocols are described in chapter II, to prepare on the one hand suspensions of giant vesicles in various mediums, on the other hand adhesive coatings on glass. Chapter III details the methods of optical microscopy, in order to observe the lipid membranes with the best contrast. After a brief state of the art about the break-down of lipid bilayers, chapter IV describes the complete dynamics of transient pores, both theoretically and experimentally. In particular, we shall see how the increased viscosity of the medium leads to longer lifetimes together with larger sizes. Chapter V just reveals descriptively the foams of giant vesicles. Depending on the type of interaction, vesicles either remain tense as soap bubbles, or they relax their tension by mixing part of their membranes.
Les vésicules géantes sont des objets artificiels utilisés pour mimer l’enveloppe lipidique des cellules biologiques, la membrane plasmique, qui sépare l’intérieur de la cellule de son milieu extérieur. Parmi tous les systèmes censés modéliser les membranes biologiques (couches monomoléculaires à l’interface eau/air, bicouches supportées sur un substrat solide, films noirs lipidiques, etc...) les vésicules géantes sont les plus molles et les plus déformables. En effet, leur membrane est une mince couche fluide dont la tension de surface est pratiquement nulle. Néanmoins, elle peut être tendue progressivement par une action extérieure. La tension mécanique qui apparaît alors reste très en deçà des tensions interfaciales usuelles des liquides. Mais, sur des vésicules géantes, la relaxation de cette tension suffit pour provoquer des réorganisations importantes des lipides. Ce travail met en lumière deux types de transformation : i) la rupture transitoire de la membrane, et la fuite du liquide interne à travers un pore macroscopique géant ; ii) la fusion de deux membranes adjacentes, qui passe par les étapes intermédiaires d’hémifusion puis d’un pore de fusion. Les observations expérimentales ont été réalisées principalement en microscopie de fluorescence. Un modèle hydrodynamique simple étudie la dissipation visqueuse à l’intérieur de la membrane et dans le solvant alentour. En parallèle, une nouvelle imagerie mise au point récemment, la microscopie par génération de second harmonique (SHG), apporte des informations complémentaires sur le profil de distance des membranes adhérentes. Enfin, des vésicules géantes décorées par des protéines permettent de s’approcher un peu plus de la réalité de l’adhésion cellulaire.
Le chapitre I présente les caractéristiques générales des vésicules, ainsi que les manipulations permettant de les mettre sous tension. Les protocoles expérimentaux sont décrits au chapitre II, pour préparer d’une part des suspensions de vésicules géantes dans différents milieux, d’autre part des traitements de surfaces adhésifs sur le verre. Les méthodes de microscopie optique, nécessaires pour observer les membranes lipidiques avec un contraste optimal, sont détaillées au chapitre III. La suite aborde les deux voies adoptées par les vésicules géantes pour relaxer une tension de surface. Après un bref état de l’art sur les ruptures de bicouches lipidiques, le chapitre IV décrit, sur le plan théorique puis expérimental, la dynamique complète des pores transitoires. Nous verrons en particulier comment la viscosité accrue du milieu augmente à la fois leur durée de vie et leur taille. Le chapitre V ne fait qu’aborder, d’une manière surtout descriptive, les mousses de vésicules géantes. Suivant leur type d’interaction, soit les vésicules restent tendues comme des bulles de savon, soit elles relaxent leur tension, en mélangeant partiellement leurs membranes.
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