8. Because of its hydrophobic chara

8. Because of its hydrophobic character, fullerene is expected
to partition mainly into the lipid bilayer interior, as has been
shown previously using atomistic simulations22. This is
confirmed by calculations of the potential of mean force (PMF)
of monomeric fullerene as a function of distance from the centre
of the lipid bilayer (see Supplementary Information, Fig. S1). The
results show qualitative agreement with atomistic studies22,
although the coarse-grained model suggests that fullerene has an
even stronger preference for the bilayer interior.
To characterize the dynamics of fullerene penetration into the
bilayer, we calculated the local diffusion coefficients along the
bilayer normal D(z) and the local resistances R(z) (Fig. 1).
Fullerene diffuses in the bilayer more slowly than in bulk water.
The local diffusion coefficients for fullerene are about one order
of magnitude less than for small molecules27,29. The diffusion rate
drops by over an order of magnitude in the head group
region. Fullerene permeability is 6 1022 cm s21 at 300 K,
higher than for water30 and about two orders of magnitude lower
than for benzene29.
Unbiased simulations confirm that monomeric fullerene placed
in bulk water spontaneously enters the bilayer within a few hundred
nanoseconds. Fullerene rapidly passes the lipid head group region
(average time, 500 ps) and then moves more slowly towards the
lipid tails region (Fig. 2a). Inside the bilayer, it dwells within
about 1 nm of the centre and translocation outside is never
observed, consistent with the large energy barrier for transfer
from the bilayer to water. We performed additional simulations
of fullerene permeation in a dipalmitoylphosphatidylcholine
(DPPC) lipid bilayer. Translocation kinetics and thermodynamics
did not show significant differences between the two model
membranes (see Supplementary Information).
To investigate fullerene aggregation and its effect on
permeability, we performed 22 simulations (4 ms each) of a large
dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) bilayer with 16 fullerenes.
Fullerene molecules were initially placed either close to the
centre (5 simulations), close to the lipid head group region
(5 simulations) or in bulk water (12 simulations). In the water
phase, fullerenes aggregated into a large cluster within hundreds
of nanoseconds. In two simulations the clusters included all 16
molecules and did not penetrate the membrane within the
simulation time. In all other cases (10 simulations), smaller
clusters of up to ten molecules formed, which penetrated the
bilayer (Fig. 2b). The average waiting time for the penetration of
fullerene aggregates in the bilayer was 1 ms. The first step of
fullerene translocation is the formation of a small pore in the
lipid head group region. This free space is readily filled by one
fullerene (protruding from the aggregate; Fig. 2b, 768 ns).
Averaging over ten simulations, the lifetime of the pore is less
than 500 ps. The pore does not appear to be induced by the
proximity of the fullerene cluster; nanoparticles were found
within 0.6 nm of the lipid head group region several times in
each simulation before translocation occurred. Instead, local area
fluctuations in the bilayer play an important role in the
penetration mechanism. After the first fullerene is inserted in the
head group region, it readily moves towards the lipid tail region,
followed by the rest of the cluster (which does not substantially
change its geometry). As the lipid head groups move aside to
make room for the fullerene cluster, no free space pockets are
formed. A cluster of ten fullerenes requires 15 ns to completely
pass the lipid head groups, compared with 500 ps for
monomeric fullerene.
When fullerenes are placed close to the lipid head group region,
only small clusters (two or three molecules) form rapidly and
penetrate the bilayer within a few hundred nanoseconds. After
penetration, they disaggregate on a microsecond timescale. When
fullerenes are placed inside the bilayer, they do not form
stable aggregates.
It is known that fullerene in water spontaneously forms
nanosized aggregates6–8. Therefore, it is important to evaluate
the energetic balance for its transfer from an aggregate in water
to a position inside the bilayer. For computational reasons, we
started from a solid-like (periodic) fullerene aggregate and
calculated the energy required to move a single fullerene from
the aggregate into the gas phase. We then calculated the
hydration free energy (for a single fullerene), corresponding to
the transfer from the gas phase into bulk water, and finally the
free energy of transfer from bulk water into the centre of the
lipid bilayer. These artificial steps combined describe the full
process of interest. Transferring one fullerene from the
aggregated form into bulk water is highly unfavourable, with a
free energy cost of 60+20 kJ mol21
. The energy gain upon
transfer from bulk water to the bilayer interior is 110 kJ mol21
.
Summing the contributions, the overall balance indicates that
removing one fullerene from a large fullerene aggregate and
placing it into the bilayer interior is favourable by
50+20 kJ mol21
. This result is consistent with our unbiased
simulations, showing that fullerene clusters spontaneously
penetrate the lipid bilayer.
EFF

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

8. เนื่องจากอยู่ของอักขระของ hydrophobic คาดว่าฟูลเลอรีนพาร์ติชันส่วนใหญ่เป็นไขมัน bilayer ภายใน ได้รับแสดงค่า atomistic simulations22 นี่คือยืนยัน ด้วยการคำนวณศักยภาพของกำลังเฉลี่ย (PMF)ของฟูลเลอรีน monomeric เป็นฟังก์ชันของระยะทางจากศูนย์กลางของ bilayer ไขมัน (ดูรายละเอียดเพิ่มเติม ฟิก S1) ที่ผลลัพธ์แสดงข้อตกลงเชิงคุณภาพกับ atomistic studies22แม้ว่าฟูลเลอรีนแนะนำรุ่น coarse-grained มีการกำหนดลักษณะที่แข็งแกร่งสำหรับภายใน bilayerการกำหนดลักษณะของการเจาะฟูลเลอรีนเป็นการbilayer เราคำนวณสัมประสิทธิ์การแพร่ในท้องถิ่นตามbilayer D(z) ปกติและทานเฉพาะ R(z) (Fig. 1)ฟูลเลอรีน diffuses ใน bilayer ช้ากว่าในน้ำจำนวนมากสัมประสิทธิ์การแพร่ในท้องถิ่นสำหรับฟูลเลอรีนเป็นใบสั่งเดียวของขนาด less than สำหรับขนาดเล็ก molecules27, 29 อัตราการแพร่หยดโดยผ่านการสั่งของขนาดในกลุ่มใหญ่ภูมิภาคที่ Permeability ฟูลเลอรีนเป็น 6 1022 s21 ซมที่ 300 Kสูงกว่า water30 และประมาณสองอันดับของขนาดต่ำกว่าสำหรับ benzene29จำลองคนยืนยันว่า ฟูลเลอรีน monomeric วางใน น้ำธรรมชาติป้อน bilayer ภายในไม่กี่ร้อยnanoseconds ฟูลเลอรีนผ่านภูมิภาคกลุ่มใหญ่ไขมันอย่างรวดเร็ว(เวลาเฉลี่ย 500 ps) แล้ว ย้ายช้าต่อการภูมิภาคที่หางไขมัน (Fig. 2a) ภายใน bilayer มันสถิตอยู่ภายในประมาณ 1 นาโนเมตรของศูนย์และการสับเปลี่ยนภายนอกไม่สังเกต สอดคล้องกับอุปสรรคพลังงานขนาดใหญ่สำหรับการโอนย้ายจาก bilayer น้ำ เราทำจำลองเพิ่มเติมของฟูลเลอรีนซึมในการ dipalmitoylphosphatidylcholineBilayer (DPPC) กระบวนการ อุณหพลศาสตร์และจลนพลศาสตร์ของการสับเปลี่ยนไม่แสดงความแตกต่างที่สำคัญระหว่างรุ่นสองเข้า (ดูรายละเอียดเพิ่มเติม)การตรวจสอบรวมฟูลเลอรีนและมีผลในpermeability เราทำจำลอง 22 (4 ms แต่ละ) ของขนาดใหญ่bilayer dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) กับ 16 fullerenesฟูลเลอรีนโมเลกุลถูกเริ่มวางให้หรือใกล้เคียงกับเซ็นเตอร์ (จำลอง 5), ใกล้กับภูมิภาคกลุ่มใหญ่ไขมัน(จำลอง 5) หรือ ในน้ำจำนวนมาก (จำลอง 12) ในน้ำเฟส fullerenes รวมเป็นคลัสเตอร์ขนาดใหญ่ภายในร้อยของ nanoseconds ในสองจำลอง คลัสเตอร์รวมทั้งหมด 16โมเลกุล และได้เจาะเยื่อภายในเวลาจำลอง ในทุกกรณีอื่น (10 จำลอง), เล็กกลุ่มของโมเลกุลที่เกิดขึ้น สิบซึ่งอวัยวะbilayer (Fig. 2b) เวลารอคอยเฉลี่ยสำหรับเจาะของผลฟูลเลอรีนใน bilayer ถูกนางสาว 1 ขั้นตอนแรกของการสับเปลี่ยนฟูลเลอรีนเป็นการก่อตัวของรูขุมขนขนาดเล็กในการภูมิภาคกลุ่มใหญ่ไขมัน เนื้อที่นี้จะถูกกรอกข้อมูลโดยพร้อมฟูลเลอรีน (แหล่งน้ำจากรวม Fig. 2b, 768 ns)อายุการใช้งานของรูขุมขนหาค่าเฉลี่ยกว่า 10 จำลอง มีน้อยกว่า 500 ps รูขุมขนไม่ได้เกิดจากการของคลัสเตอร์ฟูลเลอรีน เก็บกักได้พบภายใน 0.6 nm ภาคกระบวนกลุ่มใหญ่หลายครั้งในการจำลองแต่ละก่อนเกิดการสับเปลี่ยน แทน พื้นที่ความผันผวนใน bilayer มีบทบาทสำคัญในการกลไกการเจาะ หลังจากใส่ฟูลเลอรีนครั้งแรกในการกลุ่มใหญ่ภูมิภาค พร้อมย้ายไปภูมิภาคหางระดับไขมันในเลือดตามส่วนเหลือของคลัสเตอร์ (ซึ่งไม่มากเปลี่ยนรูปทรงของมัน) เป็นกระบวนการ กลุ่มใหญ่ไปเฉยทำสำหรับคลัสเตอร์ฟูลเลอรีน เนื้อที่ไม่มีกระเป๋าเกิดขึ้น คลัสเตอร์ของ fullerenes สิบต้อง 15 ns ให้สมบูรณ์ส่งกลุ่มใหญ่ การเปรียบเทียบกับ ps 500 สำหรับกระบวนการฟูลเลอรีน monomeric นั้นเมื่อวาง fullerenes ใกล้กับภูมิภาคกลุ่มใหญ่ไขมันคลัสเตอร์ขนาดเล็กเท่านั้น (สอง หรือสามโมเลกุล) แบบรวดเร็ว และเจาะ bilayer ภายใน nanoseconds กี่ร้อย หลังจากเจาะ พวกเขา disaggregate ในสเกล microsecond เมื่อfullerenes อยู่ภายใน bilayer พวกเขาได้มั่นคงผลเป็นที่รู้จักกันว่าฟูลเลอรีนในน้ำธรรมชาติรูปแบบaggregates6 – 8 ตัวรอง ดังนั้น จึงเป็นสิ่งสำคัญในการประเมินสมดุลมีพลังสำหรับการโอนย้ายจากการรวมในน้ำไปยังตำแหน่งภายใน bilayer เหตุผลคำนวณ เราเริ่มต้นจากความเหมือนของแข็ง (เป็นครั้งคราว) ฟูลเลอรีนรวม และคำนวณพลังงานที่ต้องการย้ายฟูลเลอรีนที่เดียวจากรวมเป็นระยะก๊าซ เราได้แล้วไล่น้ำฟรีพลังงาน (เดียวฟูลเลอรีน), ที่สอดคล้องกับการโอนย้ายจากเฟสแก๊สลงไปในน้ำจำนวนมาก และสุดท้ายพลังงานเสรีของการโอนย้ายจากน้ำจำนวนมากเป็นศูนย์กลางของการbilayer กระบวนการ เหล่านี้ประดิษฐ์รวมตอนเต็มกระบวนการที่น่าสนใจ โอนย้ายหนึ่งฟูลเลอรีนจากการรวมแบบฟอร์มลงไปในน้ำจำนวนมากมี unfavourable สูง มีการต้นทุนพลังงานฟรี 60 + 20 kJ mol21. กำไรพลังงานตามโอนย้ายจากน้ำจำนวนมากไปภายใน bilayer เป็น 110 kJ mol21.สรุปการจัดสรร ดุลโดยรวมหมายถึงเอาฟูลเลอรีนหนึ่งจากรวมขนาดใหญ่ฟูลเลอรีน และวางไว้ในภายใน bilayer จะดีด้วย50 + 20 kJ mol21. ผลลัพธ์นี้จะสอดคล้องกับคนของเราจำลอง แสดงว่าฟูลเลอรีนกลุ่มธรรมชาติเจาะ bilayer ไขมันEFF

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

8. เพราะตัวละครที่ไม่ชอบน้ำของ fullerene
คาดว่าพาร์ทิชันส่วนใหญ่เข้ามาในไขมันbilayer
การตกแต่งภายในตามที่ได้รับการแสดงก่อนหน้านี้ใช้ละอองsimulations22 นี้ได้รับการยืนยันจากการคำนวณที่มีศักยภาพของแรงเฉลี่ย (PMF) ของ fullerene monomeric เป็นหน้าที่ของระยะทางจากศูนย์กลางของไขมันbilayer (ดูข้อมูลเสริมรูป. S1) ผลที่ได้แสดงข้อตกลงเชิงคุณภาพกับ studies22 ละออง, แม้ว่ารูปแบบเนื้อหยาบแสดงให้เห็นว่า fullerene มีการตั้งค่าที่แข็งแกร่งสำหรับการตกแต่งภายในbilayer. เพื่ออธิบายลักษณะการเปลี่ยนแปลงของการเจาะ fullerene เข้าbilayer เราคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในท้องถิ่นตามbilayer ปกติ D (ซี) และความต้านทาน R ท้องถิ่น (ซี) (รูปที่ 1).. ฟูลเลอกระจายใน bilayer ช้ากว่าในน้ำจำนวนมาก. ค่าสัมประสิทธิ์การแพร่กระจายในท้องถิ่นสำหรับ fullerene จะเกี่ยวกับการสั่งซื้อของขนาดน้อยกว่าสำหรับmolecules27,29 ขนาดเล็ก อัตราการแพร่กระจายลดลงกว่าลำดับความสำคัญในกลุ่มศีรษะภูมิภาค การซึมผ่านของฟูลเลอรีคือ 6 ซม S21 1022 ที่ 300 K, สูงกว่า water30 และประมาณสองคำสั่งของขนาดต่ำกว่าbenzene29. จำลองเป็นกลางยืนยันว่า fullerene monomeric วางในน้ำตามธรรมชาติจำนวนมากเข้ามาในbilayer ภายในไม่กี่ร้อยนาโนวินาที ฟูลเลอรีอย่างรวดเร็วผ่านภูมิภาคกลุ่มหัวไขมัน(เวลาเฉลี่ย 500 PS) และจากนั้นย้ายช้ากว่าที่มีต่อภูมิภาคหางไขมัน(รูป. 2a) ภายใน bilayer มันอาศัยอยู่ภายในประมาณ1 นาโนเมตรของศูนย์และโยกย้ายออกไปข้างนอกก็ไม่เคยสังเกตเห็นสอดคล้องกับอุปสรรคพลังงานขนาดใหญ่สำหรับการถ่ายโอนจากbilayer ลงไปในน้ำ เราดำเนินการจำลองเพิ่มเติมของการซึมผ่าน fullerene ใน dipalmitoylphosphatidylcholine (DPPC) ไขมัน bilayer จลนศาสตร์โยกย้ายและอุณหพลศาสตร์ไม่ได้แสดงความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างทั้งสองรูปแบบเมมเบรน(ดูข้อมูลเพิ่มเติม.) เพื่อตรวจสอบการรวม fullerene และผลกระทบต่อการซึมผ่านของเราดำเนินการ22 จำลอง (4 มิลลิวินาทีในแต่ละ) ของที่มีขนาดใหญ่dioleoylphosphatidylcholine (DOPC) bilayer กับ 16 ฟูลเลอรี . โมเลกุลฟูลเลอรีถูกวางไว้ในตอนแรกทั้งใกล้กับศูนย์ (5 จำลอง) ใกล้กับภูมิภาคกลุ่มหัวไขมัน (5 จำลอง) หรือในน้ำจำนวนมาก (12 จำลอง) ในน้ำเฟส fullerenes รวมเป็นกลุ่มขนาดใหญ่ที่อยู่ในร้อยของนาโนวินาที ในการจำลองสองกลุ่มรวมทั้งหมด 16 โมเลกุลและไม่ทะลุเยื่อหุ้มภายในที่เวลาจำลอง ในกรณีอื่น ๆ (10 จำลอง) ที่มีขนาดเล็กกลุ่มถึงสิบโมเลกุลเกิดขึ้นซึ่งทะลุbilayer (รูป. 2b) ค่าเฉลี่ยของเวลาที่รอคอยสำหรับการเจาะของมวลรวมใน fullerene bilayer เป็น 1 มิลลิวินาที ขั้นตอนแรกของการโยกย้าย fullerene คือการก่อตัวของรูขุมขนเล็ก ๆ ในที่ไขมันภูมิภาคกลุ่มหัว นี้พื้นที่ว่างที่เต็มไปได้อย่างง่ายดายโดยหนึ่งfullerene (โผล่ออกมาจากการรวม. รูปที่ 2b, 768 NS). เฉลี่ยกว่าสิบจำลองชีวิตของรูขุมขนน้อยกว่า 500 PS รูขุมขนไม่ปรากฏที่จะเหนี่ยวนำให้เกิดโดยความใกล้ชิดของกลุ่ม fullerene; อนุภาคนาโนที่พบภายใน 0.6 นาโนเมตรของภูมิภาคกลุ่มหัวไขมันหลายครั้งในการจำลองก่อนการโยกย้ายที่เกิดขึ้น แต่พื้นที่ท้องถิ่นของความผันผวนใน bilayer มีบทบาทสำคัญในกลไกการเจาะ หลังจากที่ fullerene แรกจะแทรกอยู่ในภูมิภาคกลุ่มหัวก็พร้อมที่จะย้ายไปทางหางภูมิภาคไขมัน, ตามด้วยส่วนที่เหลือของคลัสเตอร์ (ซึ่งไม่ได้มีนัยสำคัญเปลี่ยนรูปทรงเรขาคณิตของมัน) ในฐานะที่เป็นกลุ่มหัวไขมันย้ายกันไปให้ห้องพักสำหรับกลุ่ม fullerene ไม่มีกระเป๋าพื้นที่ว่างจะเกิดขึ้น กลุ่มของสิบ fullerenes ต้องมี 15 ns การที่จะสมบูรณ์ผ่านกลุ่มหัวไขมันเมื่อเทียบกับ500 PS สำหรับfullerene monomeric. เมื่อฟูลเลอรีจะถูกวางไว้ใกล้กับภูมิภาคกลุ่มหัวไขมันเพียงกลุ่มเล็ก ๆ (สองหรือสามโมเลกุล) รูปแบบได้อย่างรวดเร็วและเจาะbilayer ภายในไม่กี่ร้อยนาโนวินาที หลังจากเจาะพวกเขาในระยะเวลา disaggregate มิลลิ เมื่อฟูลเลอรีจะถูกวางไว้ภายใน bilayer ที่พวกเขาไม่ได้แบบมวลรวมมีเสถียรภาพ. เป็นที่รู้จักกันว่า fullerene ในน้ำในรูปแบบธรรมชาติnanosized aggregates6-8 ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญในการประเมินความสมดุลมีพลังสำหรับการถ่ายโอนจากการรวมอยู่ในน้ำไปยังตำแหน่งภายในbilayer ที่ สำหรับเหตุผลการคำนวณเราเริ่มต้นจากของแข็งเช่น (ธาตุ) รวม fullerene และคำนวณพลังงานที่จำเป็นในการย้ายfullerene เดียวจากการรวมเป็นระยะก๊าซ เราคำนวณแล้วชุ่มชื้นพลังงาน (สำหรับ fullerene เดี่ยว) ที่สอดคล้องกับการถ่ายโอนจากก๊าซลงไปในน้ำจำนวนมากและในที่สุดพลังงานของการถ่ายโอนจากน้ำจำนวนมากเข้าสู่ศูนย์กลางของไขมันbilayer ขั้นตอนเหล่านี้เทียมรวมเต็มอธิบายกระบวนการที่น่าสนใจ การถ่ายโอน fullerene หนึ่งจากรูปแบบรวมลงไปในน้ำจำนวนมากจะเสียเปรียบอย่างมากโดยมีค่าใช้จ่ายพลังงาน60 กิโลจูล 20 mol21 กำไรพลังงานเมื่อโอนจากน้ำจำนวนมากเพื่อการตกแต่งภายใน bilayer 110 กิโลจูล mol21. สรุปผลงานที่สมดุลโดยรวมแสดงให้เห็นว่าการลบหนึ่ง fullerene จากการรวม fullerene ขนาดใหญ่และวางมันลงไปในการตกแต่งภายในbilayer เป็นอย่างดีโดย50 + 20 กิโลจูล mol21 ผลที่ได้นี้มีความสอดคล้องกับเป็นกลางของเราจำลองแสดงให้เห็นว่ากลุ่ม fullerene ธรรมชาติเจาะไขมันbilayer. เอฟเอฟ

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

8 . เพราะตัวละคร ) ของ ฟลูเลอรีนคาดว่า
ไปยังพาร์ทิชันหลักใน bilayer ไขมันภายใน ตามที่ได้รับการ simulations22
แสดงก่อนหน้านี้ปรมาณู . นี่คือ
ยืนยันโดยการคำนวณศักยภาพหมายถึงบังคับ ( PMF )
ของวิธีฟลูเลอรีนเป็นฟังก์ชันของระยะห่างจากศูนย์กลาง
ของ bilayer ไขมัน ( ดูข้อมูลเพิ่มเติมรูปที่ S1 )
แสดงผลเชิงคุณภาพ ข้อตกลงกับปรมาณู studies22
ถึงแม้ว่าที่มีเนื้อหยาบแบบ , แสดงให้เห็นว่าฟุลเลอรีนมี
แม้แข็งแกร่งชนิดสองชั้น ภายใน ลักษณะพลวัตของการเจาะ

ฟูลเลอรีนเป็นสองชั้น เราคำนวณค่าสัมประสิทธิ์การกระจายท้องถิ่นตาม
สองชั้นปกติ D ( Z ) และพื้นที่ความต้านทาน R ( Z ) ทีม 1 ) .