Lateral Stress on the Interfacial Water of Biological Membranes on ACS Materials and Interfaces
ISC reseracher Fausto Martelli coauthored an interesting work on ACS Materials and Interfaces, ACS Appl. Mater. Interfaces 2026, 18, 8, 12368–12382
Abstract
Interfacial water plays a key role in membrane mechanics, yet its response to lateral stress remains poorly understood. Using molecular dynamics simulations, we investigate how lateral stress affects interfacial water in well-defined lipid bilayer model membranes representative of mammalian- and bacterial-like compositions under physiological conditions. At equilibrium, interfacial water forms hydrogen-bonded networks dominated by four-membered motifs bridging neighboring lipid headgroups. Under lateral stress, these motifs remain stable in mammalian model membranes, whereas in bacterial model membranes, stress-induced surface smoothing leads to partial decoupling of interfacial water from the membrane. This stress-dependent response reveals a strong coupling between membrane mechanics and the hydrogen-bond network topology of interfacial water, providing mechanistic insight into how interfacial water modulates membrane resilience. Overall, our results identify interfacial water as an active, stress-responsive contributor to membrane stability, with broad implications for biophysics, medicinal chemistry, and evolution.
Below Fausto Martelli explains the relevance of the research!
Per quale motivo gli animali sono composti da miliardi di cellule diverse con funzioni disparate, mentre i batteri (molto più antichi dal punto di vista evolutivo) sviluppano colonie singole? A questa domanda hanno cercato di dare risposta gli autori dell’articolo “Effects of Lateral Stress on the Interfacial Water of Biological Membranes”, pubblicato su ACS Materials & Interfaces, il cui impatto è stato riconosciuto dagli editori con la cover del volume.
Gli autori hanno effettuato simulazioni di dinamica molecolare su diverse membrane batteriche e di mammiferi, simulando le membrane in condizioni di stress meccanico diverso, condizioni molto più comuni rispetto a quelle di equilibrio, che sono invece molto più studiate.
In tutti i casi, all’equilibrio, gli autori hanno notato che l’acqua che giace all’interfaccia con le membrane (e che, notoriamente, svolge un ruolo fondamentale nella stabilizzazione delle membrane e delle proteine) forma motivi geometrici tetragonali composti da 4 molecole d’acqua legate tra loro da legami a idrogeno. Questi motivi sono particolarmente rigidi e fungono da ponte tra fosfolipidi vicini (vedere figura), contribuendo alla stabilità delle membrane. Sotto stress, questi motivi scompaiono dalla superficie delle membrane batteriche, mentre restano pressoché intatti nelle membrane mammifere.
La riduzione drastica di motivi tetragonali nell’acqua superficiale dalle membrane batteriche è causata dalla levigatura della superficie, a sua volta indotta dalla tensione applicata. Tale levigatura permette alle molecole d’acqua di creare un network di legami più simile a quello dell’acqua bulk, povero di motivi tetragonali.
Questo lavoro evidenzia il ruolo dell’acqua nello stabilizzare le membrane dei mammiferi, e spiega per quale motivo le membrane batteriche richiedono meno stress per rompersi. Le possibili implicazioni di questo lavoro ricadono nei campi dell’evoluzione, della biofisica delle membrane e dello sviluppo di nuovi approcci biomedici.
