研究の対象:生体膜

 動物や植物の細胞の外側は細胞膜で外界と仕切られています。また、ミトコンドリア、ゴルジ体と言った細胞内小器官も外膜により内外が区別されています。これらの膜を総称して生体膜と呼んでいます。

 生体膜は、その主構成成分である脂質が自己組織化して形成する二重膜構造を基本骨格としています。細胞を構成する生体分子において、核酸は4種類の塩基、タンパク質は約20種類のアミノ酸が基本単位ですが、生体膜は数百種類以上の脂質から構成されています。また、生体膜中の脂質組成は細胞種類により大きく異なり、また生物種によっても顕著に異なっています。他の生体分子に比べて、一体、どうしてこのような数多くの脂質が存在しているのでしょうか。脂質分子は合目的に分子集合体を形成することを考えると、何かその理由があるはずです。

自己集合系の一形態:二重膜

自己集合系の一形態:二重膜


 私達の研究の大きな特色は、温度、濃度と同様に圧力を生体膜研究の解析ツールとして使用していることです。温度や濃度のような変数は、伝播に拡散過程を含むため、到達の遅延、局所的な差違が起こるのとは対照的に、圧力はパスカルの原理で均一、等方的且つ瞬時に作用します。圧力は脂質膜にメカニカルな大きなゆらぎをもたらすので、その結果、常圧下では観測不能な現象や新規な現象が観測できます。膜作用性薬物(麻酔薬)の作用が圧力によって覚醒する現象(麻酔作用の圧拮抗)は、その代表例です。

 私達は、生体膜の関与した様々な生命現象(相変化、非二重膜形成、脂質ラフト、膜融合・膜分裂、麻酔作用機序など)の解明を目指し、主に生体モデル膜(脂質二重膜)を対象として生物物理学的手法あるいは界面科学的手法によるアプローチで以下のような研究テーマを実施しています。

 日本生物物理学会ホームページ内の研究紹介ページ(B-08:脂質膜の相転移B-09:脂質膜低分子相互作用)および学科ホームページ内のA1研究室の研究内容ページもご参照下さい。

研究内容の紹介

陽イオン性二本鎖界面活性剤の会合体形成:圧力研究による相状態の解明
概要
 分子中に疎水基と親水基を持つ両親媒性物質、いわゆる界面活性剤は界面吸着および会合体形成と言った配向した分子集合体を形成する性質を持っています。疎水鎖が一本の場合、通常、水中で単分子層の会合体であるミセルを形成しますが、疎水鎖が二本である長さ以上となると、二分子層の会合体であるベシクルを形成できるようになります。陽イオン性二本鎖界面活性剤の一種であるハロゲン化ジアルキルジメチルアンモニウム(2CnX)はリン脂質と同様に水溶液中で二重膜ベシクルを形成することが知られています。この2CnXが形成する二重膜は、大気圧下、ベシクル調製条件に依存して複雑な相挙動を示すため、リン脂質に比べて単純な分子構造であることにも関わらず、その膜状態は未だ明確になっていません。私達は、対イオンおよびアルキル鎖長が異なる二本鎖界面活性剤が形成する二重膜の高圧力下における相挙動を常圧下の熱的挙動と併せて調査しました。その結果、2CnX二重膜における対イオン効果は、例外なくホスマイスター系列に従うこと、また過去より通説とされてきた2C12Br二重膜の常圧下における低温相転移はゲル−液晶間の主転移ではなく、結晶−液晶間の相転移であることなど多くの新規事実を得ることができました。このように2CnX二重膜研究に圧力を導入することで、その対イオンやアルキル鎖長効果の系統的な理解を初めて可能としました。本研究成果の論文投稿中に、この2CnX系を精力的に調査してきたグループと論争になりましたが、最終的に我々の主張が認められました。
 
図8新(Web)

図8 2CnX二重膜の温度−相図:(A)2C18Br、(B)2C18Cl、(C)Br系列相転移の疎水鎖長依存性


参考研究業績
1.
M. Goto, Y. Ito, S. Ishida, N. Tamai, H. Matsuki, S. Kaneshina, Hyrostatic Pressure Reveals Bilayer Phase Behavior of Dioctadecyldimethylammonium Bromide and Chloride, Langmuir, Vol. 27, No. 5, pp. 1592-1598, (2011).
2.
M. Goto, S. Ishida, Y. Ito, N. Tamai, H. Matsuki, S. Kaneshina, Thermotropic and Barotropic Phase Transitions of Dialkyldimethylammonium Bromide Bilayer Membranes: Effect of Chain Length, Langmuir, Vol. 27, No. 10, pp. 5824-5831, (2011).