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

圧力誘起指組み構造化の形成限界とその分子メカニズム
概要

 DPPCに代表されるエステル結合を有するPCが形成する二重膜は高圧力下において非二重膜の一種である指組み構造を形成します。この指組み構造形成はアシル鎖長依存的であり、指組み構造形成の最小圧力(MIP)はアシル鎖長の伸長に伴い低下することを見出しました。鎖長が19以上の長鎖PCが形成する二重膜の相挙動を追跡し、指組み構造形成に圧力が必要とされるのは鎖長21のC21PCまでであり、鎖長22のC22PCではエーテル結合型PC(DHPCなど)と同様にその二重膜は常圧下、単に水和するのみで、指組み構造を形成することを明らかにしました。
 圧力によって指組み構造形成は誘起されます。圧力は系の体積を収縮し、二重膜内脂質分子間距離を小さくするので膜の充填構造を強めますが、この引力方向の力のみでは指組み構造は起こりません。私達は、加圧は分子間引力を増加させる一方で、脂質分子の極性基頭部の配座変化(平行→垂直)を促し、その遷移的な静電的な反発力に起因して指組み構造が誘起されるものと考えています。この仮説を検証すべく、スイス連邦共和国のポールシェラー研究所(PSI)内中性子散乱施設内において高圧中性子散乱(SANS)測定と高圧動的光散乱(DLS)測定を実施しました。結果、PC二重膜の粒子径が指組み構造化圧力において遷移的な増加を示したことから我々の仮説の妥当性を証明することができました。成果はまもなく、論文として公表される予定です。

図5(Web)

図5 圧力誘起指組み構造化の(A)形成限界と(B)その誘起メカニズム

参考研究業績
1.
H. Matsuki, H. Okuno, F. Sakano, M. Kusube, S. Kaneshina, Effect of Deuterium Oxide on the Thermodynamic Quantities Associated with Phase Transitions of Lipid Bilayer Membranes, Biochim. Biophys. Acta, Vol. 1712, No. 1, pp. 92-100, (2005).
2.
H. Matsuki, E. Miyazaki, F. Sakano, N. Tamai, S. Kaneshina, Thermotropic and Barotropic Phase Transitions in Bilayer Membranes of Ether-Linked Phospholipids with Varying Alkyl Chain Lengths, Biochim. Biophys. Acta, Vol. 1768, No. 3, pp. 479-489, (2007).
3.
M. Goto, A. Wilk, A. Kazama, S. Chodankar, J. Kohlbrecher, H. Matsuki, Chain Elongation of Diacylphosphatidylcholine Induces Fully Bilayer Interdigitation under Atmospheric Pressure, Colloids Surfaces B: Biointerfaces, Vol. 84 No. 1, pp. 44-48, (2011).