Systematic Understanding of Additive Effect on Lipid Bilayers
リン脂質膜に対する添加物の効果の体系的理解
生体膜はリン脂質二重膜で構成された膜の中に様々な有機分子を含んでいる。代表的なものはコレステロールであるが、それ以外にもステロール類、ステロイド類、イソプレノイド、ビタミンなど種々の分子が含まれていることが知られる。これらの様々な有機分子が脂質膜の物性にどのような影響を持つのか、広く統一的に理解したいと考えて研究を行っている。
これまで添加物の効果は主にコレステロールを用いて研究されてきた。その他の添加物もコレステロール同様に膜にとっては不純物であるため、似たような効果を持つと信じられてきた。それを確かめるために、我々はアルカンを膜内に添加し、リン脂質の相転移挙動の観測を行った。コレステロールを添加した場合にはゲル-液晶相転移温度は下がるのに対し、アルカンの場合は上がることが分かった。膜構造の観測より、アルカンによって膜内で分子がより密にパッキングするようになり、相転移挙動が変化することが分かった。コレステロールはパッキングを疎にするため、その働きは全くの逆であると言える。
アルカンが膜をより秩序化する効果はベシクル全体の形状にも影響する。液晶相で作成したベシクルを冷却しゲル相へとすると、ベシクルは破裂した。これはゲル相の膜がアルカン無添加時と比較して10倍以上も硬くなったためと分かった。膜の秩序化により硬化したと考えられる。
アルカンとコレステロールの効果が全く正反対であるのは、これらの分子形状が大きく異なることの表れと考えられる。アルカンは直鎖状の柔らかい分子だが、コレステロールは嵩高く硬い分子である。この形状の違いが膜内での充填様式の違いを生み、相反する添加効果の原因となっていると考えられる。
実際に、分子形状がコア状のスチルベンを添加すると相転移温度は下がった。スチルベンはコレステロールと同様にコア状の分子であるため、ゲル相の膜を乱し、相転移温度は減少したと考えられる。さらにトランス体とシス体では、形状がより球状にちかいシス体に方が減少度合いは大きかった。一方で、様々な直鎖状の分子を添加すると、わずかな程度の差こそあれ、すべてが相転移温度を上げ、膜の秩序化を促した。これらの結果は、添加物の形状によって膜に与える影響を大別できることを表している。
実際の生体膜内の有機分子は分子内にコア状の部位と炭化水素鎖を併せ持つことが多い。分子内にコア部とアルキル鎖を併せ持つnCBと呼ばれる液晶性分子を添加してその効果を調べると、アルキル鎖の伸長とともに効果が変化した。鎖長の短いときにはコレステロールと似た効果を示したが、鎖長が伸びるとアルキル鎖の効果が顕著となり、相転移温度が上昇していった。すなわち、コア部とアルキル鎖の効果は競合し、そのバランスで全体の効果が決まっているのである。
総説・解説
臼田初穂、菱田真史、長尾道弘、材料表面, 5, 171-182 (2020).
菱田真史、膜, 45, 206-212 (2020).
菱田真史、オレオサイエンス, 20, 321-328 (2020).
菱田真史、C＆I Commun （日本化学会コロイド界面化学部会誌）, 45, 36-39, (2020)
菱田真史、熱測定, 44, 65-71, (2017).
菱田真史、C＆I Commun （日本化学会コロイド界面化学部会誌）, 42, 30-31, (2017)
アルカンを添加した際のリン脂質の相転移挙動の変化について
M. Hishida et al., Chem. Phys. Lipids, 188, 61-67 (2015).
アルカンを添加した際のベシクルの破裂・変形について
M. Hishida et al., J. Chem. Phys. 144, 041103 (2016).
M. Hishida et al., J. Chem. Phys. 150, 064904 (2019).
アルカンを添加した際の膜のゆらぎ運動について
H. Usuda, M. Hishida et al., Phys. Chem. Chem. Phys., 22, 5418-5426 (2020).
スチルベンの光異性化による添加物効果の違いについて
K. Nakazawa, M. Hishida et al., Chem. Lett., 43, 1352-1354 (2014)
K. Nakazawa, M. Hishida et al., Langmuir, 32, 7647-7653 (2016).
種々の直鎖状分子を添加した際の効果の普遍性について
H. Usuda, M. Hishida, et al., Chem. Lett., 47, 1512-1514 (2018).
nCBを添加した際の効果について
H. Usuda, M. Hishida, et al., Langmuir, 32, 5966-5972 (2016).
Biological membranes composed of phospholipid bilayers contain a variety of organic molecules. Although cholesterol is the most typical molecule, various other molecules such as sterols, steroids, isoprenoids, fatty acids, and vitamins are also known to be contained. We are studying the effects of these various organic molecules on the physical properties of lipid membranes in a broad and systematic manner.
So far, the effects of additives have been studied mainly using cholesterol. Other additives have been believed to have similar effects, because all of the additives are regarded as impurity. To confirm this, we added alkanes to the membrane and observed the phase transition behavior of phospholipids. We found that the gel-liquid crystalline phase transition temperature decreased with the addition of cholesterol, while it increased with alkanes. From the observation of the membrane structure, it was found that the alkanes changed the phase transition behavior by causing the molecules to pack more tightly in the membrane. Since cholesterol makes the packing sparse, these effects are quite the opposite.
The effect of alkanes to make the film more ordered also affects the overall shape of the vesicles. When the vesicles made in the liquid crystal phase were cooled to the gel phase, the vesicles ruptured. This was found to be due to the fact that the film in the gel phase became 10 times harder than when no alkane was added. It is thought that the hardening was due to the ordering of the membrane.
The fact that the effects of alkanes and cholesterol are completely opposite is thought to be an indication that their molecular shapes are very different. Alkanes are flexible, linear molecules, while cholesterol is bulky and rigid. This difference in the shape of the molecules causes a difference in the packing mode in the membrane and is thought to be the cause of the conflicting addition effects.
In fact, the phase transition temperature was lowered when stilbene, which has a core-like molecular shape, was added. Since stilbene, like cholesterol, is a core-like molecule, it is thought that it disrupts the membrane in the gel phase and decreases the phase transition temperature. Furthermore, between the trans and cis forms, the degree of decrease was greater for the cis form, which is more bulky in shape. On the other hand, when various linear molecules were added, all of them raised the phase transition temperature and enhanced the ordering in the membrane. These results indicate that the effect of the additives on the membrane can be roughly classified according to their shape.
Organic molecules in actual biomembranes often have both a core moiety and a hydrocarbon chain in the molecule. The effect of the addition of a liquid crystalline molecule called nCB, which has both a core and an alkyl chain in the molecule, changed according to the alkyl chain length. When the chain length was short, the effect was similar to that of cholesterol, but as the chain length increased, the effect of the alkyl chain became more pronounced, and the phase transition temperature increased. In other words, the effects of the core and alkyl chains compete with each other, and the overall effect is determined by the balance between them.
Changes in the phase transition behavior of phospholipids upon addition of alkanes.
M. Hishida et al., Chem. Phys. Lipids, 188, 61-67 (2015).
Rupture and deformation of vesicles when alkanes are added
M. Hishida et al., J. Chem. Phys. 144, 041103 (2016).
M. Hishida et al., J. Chem. Phys. 150, 064904 (2019).
Fluctuating dynamics of membranes in the presence of alkanes.
H. Usuda, M. Hishida et al., Phys. Chem. Chem. Phys. 22, 5418-5426 (2020).
Differences in additive effects of photoisomerization of stilbenes
K. Nakazawa, M. Hishida et al., Chem. Lett., 43, 1352-1354 (2014).
K. Nakazawa, M. Hishida et al., Langmuir, 32, 7647-7653 (2016).
On the universality of the effect of adding various linear molecules.
H. Usuda, M. Hishida, et al, Chem. Lett., 47, 1512-1514 (2018).
On the effect of the addition of nCB
H. Usuda, M. Hishida, et al, Langmuir, 32, 5966-5972 (2016).