Membrane Properties of Archæal Macrocyclic Diether Phospholipids

• Published in: Chemistry : a European journal Vol. 6; no. 4; pp. 645 - 654
• Main Authors: Dannenmuller, Olivier, Arakawa, Kenji, Eguchi, Tadashi, Kakinuma, Katsumi, Blanc, Sylvie, Albrecht, Anne-Marie, Schmutz, Marc, Nakatani, Yoichi, Ourisson, Guy
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Weinheim WILEY-VCH Verlag 18-02-2000; WILEY‐VCH Verlag; Wiley-VCH Verlag
• Subjects: archæa; Chemical Sciences; Cryoelectron Microscopy; Deuterium; Euryarchaeota - chemistry; Glyceryl Ethers - chemical synthesis; Lipid Bilayers - chemistry; Lipid Bilayers - metabolism; Liposomes - ultrastructure; macrocycles; Magnetic Resonance Spectroscopy; Membrane Lipids - chemical synthesis; Membrane Lipids - chemistry; Membrane Lipids - metabolism; membranes; Membranes, Artificial; Methanococcus - chemistry; Permeability; phospholipids; Phospholipids - chemical synthesis; Phospholipids - chemistry; Phospholipids - metabolism; Temperature; Thermodynamics; vesicles; Water; membranes; archea; phospholipids; macrocycles; vesicles
• ISSN: 0947-6539; 1521-3765
• DOI: 10.1002/(SICI)1521-3765(20000218)6:4<645::AID-CHEM645>3.0.CO;2-A

Several biophysical properties of four synthetic archæal phospholipids [one polyprenyl macrocyclic lipid A and three polyprenyl double‐chain lipids (B, C, D) bearing zero, one or four double bonds in each chain] were studied using differential scanning calorimetry, electron and optical microscopies, stopped‐flow/flow scattering and solid‐state 2H‐NMR techniques. These phospholipids gave a variety of self‐organized structures in water, in particular vesicles and tubules. These assemblies change in response to simple thermal convection. Some specific membrane properties of these archæal phospholipids were observed: They are in a liquid‐crystalline state over a wide temperature range; the dynamics of their polyprenyl chains is higher than that of n‐acyl chains; the water permeability of the membranes is lower than that of n‐acyl phospholipid membranes. It was also found that macrocyclization remarkably improves the barrier properties to water and the membrane stability. This may be related to the adaptation of Methanococcus jannaschii to the extreme conditions of the deep‐sea hydrothermal vents.
Les propriétés biophysiques de quatre phospholipides archéobactériens de synthèse (un lipide A possédant une seule chaîne macrocyclique polyprényle et trois lipides, B, C, D, possédant deux chaînes avec zéro, une ou quatre double‐liaisons sur une des deux chaînes) ont été étudiées par calorimétrie différentielle, microscopies électronique et optique, flux bloqué/diffusion de la lumière et spectroscopie de RMN du deutérium à l'état solide. Ces lipides donnent une variété des structures auto‐organisées dans l'eau, notament des vésicules et des tubules, transformées l'une en l'autre par simple convection thermique. Quelques propriétés membranaires spécifiques pour ces phospholipides archéobactériens ont été observées: ils sont à l′état de cristaux liquides sur une zone très vaste de température. La dynamique de leurs chaînes est plus grande que celle des n‐acyl phospholipides. La perméabilité à l′eau de leurs membranes est moins grande que celle des n‐acyl phospholipides. La macrocyclisation améliore remarquablement la barrière membranaire à l'eau et la stabilité de la membrane. Ceci peut‐être lié à l'adaptation de Methanococcus jannaschii aux conditions extrêmes des évents hydrothermiques sous‐marins.
Giant vesicles are formed spontaneously by archæal macrocyclic diether phospholipids, such as A. An endocytosis‐like shape change from a discoid shape leading to a two‐vesicle could be triggered by a thermal convection. The macrocyclization improves the membrane barrier to water and the membrane stability remarkably.