Слияние мембран участвует во множестве важнейших биологических процессов, таких как секреция, передача сигнала, экзоцитоз и т.д. Процесс слияния мембран сопряжен с преодолением высоких энергетических барьеров, поскольку много энергии требуется для преодоления гидратационного отталкивания и локальных деформаций в мембранах. Слияние инициируется на расстоянии 2-3 нм между мембранами, затем в мембранах образуются точечные выступы ацильных концов липидов. Притяжение между ними приводит к образованию сталка, а затем поры слияния [1]. Сталк является ключевой структурой слияния, поскольку энергетический барьер на образование сталка определяет скорость процесса слияния.

Kalutsky et al., 2022 изучили процесс слияния монослойной и бислойной мембран между пероксисомами и липидными каплями и оценили энергетический профиль для бислойно-монослойного слияния [2]. Результаты показали, что сталк, образованный при слиянии монослоя с бислоем, был энергетически более стабильным, чем в случае бислойного слияния. Примечательно, что стабильность сталка повысилась по двум основным причинам: 1) добавление различных липидных компонентов к мембранам, таких как DOPE; 2) сокращение расстояния между мембранами.

Цель данного исследования - воспроизвести протокол из Kalutsky et al., 2022 для слияния монослоев с использованием методов молекулярной динамики. Нами предполагалось выяснить, как изменяется энергетический барьер при слиянии двух монослоев по сравнению с двумя вышеописанными случаями. Также предполагалось изучить влияние на стабильность сталка изменение содержания липидов в мембранах и начального расстояния между мембранами.

Для этой цели мы используем модифицированную версию GROMACS 2018.8 со специально разработанной координатой реакции ξch, называемой “цепная координата” [3]. Эта цепная координата описывает взаимодействие двух монослоев в ограниченном цилиндрическом объеме. Использование “цепной координаты” позволило воспроизвести полученные ранее результаты, а также оценить барьер на образование сталка для монослой-монослойного слияния.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант №22-23-00551.



1. Poojari, C.S., Scherer, K.C. & Hub, J.S. Free energies of membrane stalk formation from a lipidomics perspective. Nat Commun 12, 6594 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26924-2

2. Kalutsky, M.A.; Galimzyanov, T.R.; Molotkovsky, R.J. A Model of Lipid Monolayer–Bilayer Fusion of Lipid Droplets and Peroxisomes. Membranes 2022, 12, 992. https://doi.org/10.3390/membranes12100992

3. Hub, J.S.; Awasthi, N. Probing a Continuous Polar Defect: A Reaction Coordinate for Pore Formation in Lipid Membranes. J. Chem. Theory Comput. 2017, 13, 2352–2366.

Membrane fusion is involved in a plethora of crucial biological processes, such as secretion, signal transduction, exocytosis, etc. The process of membrane fusion is coupled with high kinetic barriers as it requires energy to overcome hydration repulsion and considerable local deformations in membranes. Fusion is initiated in 2-3 nm distance between membranes, followed by point-like protrusions of acyl lipid chains. The attraction between them leads to the formation of a hemifusion stalk, and then a fusion pore [1]. The stalk is a key intermediate structure, because the energy barrier of the stalk formation determines the speed of the fusion process.

Kalutsky et al., 2022 studied the process of monolayer-bilayer membrane fusion between peroxisomes and lipid droplets and estimated the energy profile for stalk formation [2]. The results had shown that the stalk formed by monolayer-bilayer fusion was energetically more stable than in case of bilayer-bilayer fusion. Notably, the stability of the stalk increased due to two main reasons: 1) the addition of different lipid components to membranes, such as DOPE; 2) shortening the distance between membranes.



The goal of this project is to reproduce the protocol from Kalutsky et al., 2022 for monolayer-monolayer fusion using molecular dynamics simulations. We investigated how the energy barrier of stalk formation in monolayer-monolayer fusion changed compared to monolayer-bilayer and bilayer-bilayer fusion. We studied the effect of different lipid components and the distance between membranes on the stability of the stalk.



For this purpose we utilized a modified version of GROMACS 2018.8 with specifically designed reaction coordinate ξch, called “chain coordinate” [3]. This chain coordinate describes the interaction of two monolayers in a specific cylindrical volume. Using chain coordinate allowed us to reproduce the previously obtained results, as well as to calculate the energy barrier pf the stalk fomation for monolayer-monolayer fusion.

The work was carried out with the financial support of the Russian Science Foundation, grant No. 22-23-00551.





1. Poojari, C.S., Scherer, K.C. & Hub, J.S. Free energies of membrane stalk formation from a lipidomics perspective. Nat Commun 12, 6594 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-26924-2

2. Kalutsky, M.A.; Galimzyanov, T.R.; Molotkovsky, R.J. A Model of Lipid Monolayer–Bilayer Fusion of Lipid Droplets and Peroxisomes. Membranes 2022, 12, 992. https://doi.org/10.3390/membranes12100992

3. Hub, J.S.; Awasthi, N. Probing a Continuous Polar Defect: A Reaction Coordinate for Pore Formation in Lipid Membranes. J. Chem. Theory Comput. 2017, 13, 2352–2366.