Samling af fluktuerende molekyler i kunstig cellemembran

Lipider og membranproteiner, der findes i cellemembraner, som er placeret i det yderste lag af celler, er ansvarlige for at genkende ekstracellulære miljøer og overføre denne information inde i cellen. På grund af deres dybe relation til bakteriel og viral infektion og immunologisk respons og neural transmission, de er vigtige forskningsemner inden for biologi, medicin og lægemiddeludvikling. I reaktionsprocessen med både ekstern genkendelse og signaloverførsel, dannelsen af ​​todimensionelle aggregater af lipider med voluminøse hydrofile grupper, såsom sukkerkæder eller inositolringe, i cellemembraner anses for nødvendige. Små aggregater på op til 10 molekyler kaldes klynger, mens aggregater med flere molekyler og yderligere vækst kaldes domæner.

Lipider er amfifile molekyler afledt af organismer, og har både hydrofile og hydrofobe egenskaber i deres molekyler. Mange tidligere undersøgelser har vist, at interaktioner i det hydrofobe område, såsom faseovergangen og blandbarheden af ​​kulbrintekæder, spiller en vigtig rolle i domænedannelse i lipid-dobbeltlagsmembraner. På den anden side, interaktioner i de hydrofile regioner af lipider er ikke blevet undersøgt meget, med mange faktorer, der stadig er uklare. Interaktioner bliver komplicerede på grund af frastødning, der opstår gennem fluktuation af hydrofile egenskaber i vandet, især i voluminøse hydrofile områder som sukkerkæder. Afvisningen forårsaget af sådanne udsving påvirker også målinger via atomkraftmikroskopi (AFM), der kan detektere selv den mindste mængde kraft.

Et forskerhold ledet af Ryugo Tero, lektor ved Toyohashi University of Technology, har brugt fluorescensmikroskopi og AFM til at undersøge i detaljer kunstige lipid-dobbeltlagsmembraner indeholdende lipider modificeret af den hydrofile polymer, polyethylenglycol (PEG) (figur 1). Resultaterne viste, at to typer aggregater, klynger og domæner, form afhængig af koncentrationen af ​​PEG-modificerede lipider, og at der næsten ikke er nogen fluiditet i de domæner, der opstår på grund af høj koncentration. Disse aggregater dannes ikke gennem interaktionen af ​​lipidernes hydrofobe område, men gennem samspillet mellem deres hydrofile region. Interessant nok, når det observeres med AFM, de PEG-modificerede lipiddomæner, der skulle have været voluminøse, blev observeret på et lavere niveau end omgivelserne (figur 1B). Lektor Tero gennemførte et fælles eksperiment med professor Takeshi Fukuma på Kanazawa University om årsagerne til dette. Ved at bruge frekvensmodulation AFM (FM-AFM), og nøjagtig styring af kraften mellem prøven og sonden, de var i stand til at observere det PEG-modificerede lipiddomæne på et højere niveau end lipidmembranområdet, uden anvendelse af nogen form for kraft (figur 1C). Da frastødninger vil ændre sig på grund af fluktuationen af ​​hydrofile polymerkæder afhængig af den påførte kraft, det har vist sig, at generelt, et omvendt billede af den sande tredimensionelle struktur dukker uundgåeligt op ved betingelserne for amplitudemodulation AFM (AM-AFM) observation.

"For at etablere en eksperimentel metode til undersøgelse af glykolipiders aggregerede tilstand og funktion, vi brugte PEG-modificerede lipider, som er lette at opnå i begyndelsen. Vi kæmpede for at finde de bedst egnede betingelser for prøveforberedelse og AFM-observation af lipid-dobbeltlagsmembranen indeholdende PEG-modificerede lipider. Resultaterne var meget forskellige i forhold til forventningerne, især på grund af det faktum, at de forsænkede områder voksede med stigningen i koncentrationen af ​​PEG-modificerede lipider. Tænker at der måske er sket en fejl, vi gentog eksperimentet og bekræftede dets reproducerbarhed. Intuitivt, det kan virke usandsynligt, at regionen med voluminøse molekyler synes lavere med AFM, men når polymerens samlede tilstand og de grundlæggende principper for AFM overvejes, dette er faktisk meget rimeligt. Når overfladens konkave-konvekse egenskaber vendte efter skift til FM-AFM, det fælles eksperiment med Kanazawa University nåede sit højdepunkt, og vi råbte 'Eureka!'" Så forklarer hovedforfatteren, Yasuhiro Kakimoto, i øjeblikket i ph.d.-kurset (indskrevet i programmet for ledende ph.d.-skole organiseret af undervisningsministeriet, Kultur, Sport, Videnskab og teknologi).

Forskningsteamets leder, Lektor Ryugo Tero sagde "For at forstå biomolekylernes funktioner på molekylært niveau, det er vigtigt at forstå udseendet af bløde molekyler, såsom lipider og proteiner, svingende i vandet. Faktisk, nogle beviser fra eksperimenter, der indeholder mange glycolipider, der blev observeret på et lavere niveau med AM-AFM, er opnået i ca. 10 år i flere systemer. Selvom frastødning på grund af udsving i hydrofile områder kun var en hypotese, denne undersøgelse har bekræftet dens gyldighed. De afgørende resultater i denne undersøgelse var resultaterne opnået ved at bruge professor Fukumas avancerede FM-AFM-instrument (figur 2), som førte til, at denne fælles forskning opnåede storslåede resultater."

Princippet om domænedannelse på grund af interaktioner med hydrofile polymerkæder identificeret som et resultat af denne forskning har vist sig at dele fællestræk med glycolipider i cellemembranen. Vores forskerhold er af den opfattelse, at dette princip vil hjælpe med forståelsen af ​​mekanismen for cellegenkendelse og signaloverførsel relateret til den aggregerede tilstand af glykolipider og membranproteiner. Desuden, resultaterne fra forsøgene, hvori voluminøse genstande kan forekomme indsunkne afhængigt af forholdene, er afgørende for mange forskere, der analyserer biologiske molekyler under vandet gennem atomkraftmikroskopi. Ud over, PEG'er har den virkning at undertrykke uspecifikke adsorptioner såsom proteiner, etc., og kan også bruges i bio-grænseflader og lægemiddellevering. Dannelsen og kraftresponsen af ​​PEG-rige klynger og domæner forventes at have en gennemgående effekt også på disse områder.