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
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
我々はこれまで、リン脂質二重膜相転移の体積変化(ΔV)を相転移温度の圧力依存性へのClapeyron式の適用あるいは密度測定から脂質二重膜の部分モル体積を直接的に見積もることで評価してきました。近年、圧力摂動熱量法(PPC)とよばれる熱量測定に基づく熱膨張率の測定方法が開発され、溶液内における溶質分子の体積的な情報を得ることができるようになりました。PPCが導入されたことを契機に、PPCを用いたリン脂質二重膜の体積挙動の調査を開始しました。まず、PPCにおける解析方法を検討し、熱膨張率の値を見掛けのモル体積の値に変換し、相転移における見掛けのモル体積値の変化よりΔV値を算出する方法を開発しました。この方法を用いて、代表的なPC脂質が形成する二重膜のΔV値を算出し、Clapeyron式および密度測定から得られたΔV値と比較してみたところ、3種類の測定から得られたΔV値は誤差の範囲で良い一致を示しました。さらにPPC測定から得られた見掛けのモル体積の温度依存性を検討することで、脂質分子構造と体積挙動の関連性を明らかにしました。
また、最近ではPPCを用いた圧力緩和実験から得られる緩和時間と密度測定からの圧縮率データを組み合わせ、PC二重膜の粘弾性を調査することを開始しました。この目的のために、現在、温度・圧力可変型の高精度な密度測定装置の製作を行っています。
図7 PPCによるDPPC二重膜の体積関連諸量:(A)熱膨張率、(B)見掛けのモル体積
1.
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N. Tamai, Y. Nambu, M. Tsutsui, M. Goto, H. Matsuki, S. Kaneshina, Application of Pressure Perturbation Calorimetry to the Aqueous System of Phospholipid Vesicle Dispersion, High Pressure Res., Vol. 30, No. 4, pp. 490-498, (2010). |
2.
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N. Tamai, Y. Nambu, S. Tanaka, M. Goto, H. Matsuki, S. Kaneshina, Volumetric Characterization of Ester- and Ether-linked Lipid Bilayers by Pressure Perturbation Calorimetry and Densitometry, Colloids Surfaces B: Biointerfaces, Vol. 92, No. 1, pp. 232-239, (2012). |
3.
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N. Tamai, S. Kakibe, S. Tanaka, M. Goto, H. Matsuki, An Attempt to Reveal Viscoelastic Behavior of Lipid Bilayer Membrane by Pressure Perturbation Calorimetry, High Pressure Res., Vol. 33, No. 2, pp. 271-277 (2013). |