Interaction of ions with phospholipid membranes and surfactants
リン脂質膜および界面活性剤とイオンの相互作用
水溶液中でリン脂質二重膜と種々のイオンがどのように相互作用し、それが脂質膜の構造形成にどのような影響を及ぼしているのかについて研究している。イオン性の脂質であれば当然、対イオンと強く相互作用するため、脂質同士の静電相互作用が大きく影響を受ける。そのためイオン添加によって膜面内での相分離を引き起こすことなどが可能となる。
しかし、それだけでなく、中性のリン脂質溶液にイオンを添加した際にも脂質間相互作用は大きく影響を受ける。まず我々はこの条件で引き起こされるラメラーラメラ相分離現象をテーマに、中性脂質膜とイオンの相互作用およびそれが脂質間相互作用にどのように影響するのかを研究した。脂質膜のラメラ構造が見せるイオン種依存性やイオン濃度依存性から、この現象がいわゆる「塩析」による相互作用から生まれているということが示唆された。「塩析」はタンパク質など様々な物質系で古くから知られており、その原因は溶質の水和状態がイオンによって変化することによると考えられている。しかしそのメカニズムは詳しくはわかっておらず、ソフトマター間の相互作用にどのように関係するのか本質的な物理的理解が必要である。
さらに中性リン脂質の二重膜間距離がイオンの添加によってどのように変化するのか、イオン種によってどう変わるのかについて測定した。これまではイオンの添加による膜間距離の変化はイオンの膜への吸着による静電斥力の増加によって説明されてきた。そこで各種イオンを添加した際の膜の表面電位の測定から、イオンの吸着度合も調べた。二種類の脂質、六種類の塩を用いて相関を調べた結果、膜の表面電位と膜間距離には全く相関がないことが明らかになった。膜間距離に関するこれまでのモデルを用いても今回の結果は全く説明できなかった。つまり何か新しく膜間相互作用に対する塩の効果を記述するモデルが必要であることを示している。現時点ではその起源は不明であるが、やはり「塩斥」が関わっている可能性が大きい。
「塩析」の強さはイオン種によって異なることが昔から知られている。これをホフマイスター効果と呼ぶ。ホフマイスター効果はイオンによって引き起こされる水の水素結合状態の変化がイオン種に依存するからであると考えられてきた。それによって脂質やタンパク質の水和状態も変化していると考えられる。これを調べるために、非イオン性界面活性剤表面の水和状態をSFG分光法を用いて調べた。その結果、表面の水が特にアニオンによって配向されることが分かった。アニオンのイオン半径に応じて水の状態変化も異なった。またカチオンはアニオンの形成した水和水を「壊す」働きをすることも分かった。アニオンとカチオンの働きの違い、およびそのイオン半径依存性が複雑に絡み合うことで、ホフマイスター効果が生まれていると言える。
中性リン脂質膜に一価塩を添加した際に生じるラメラ-ラメラ相分離のメカニズム
M. Hishida, H. Seto, J. Phys.: Conf. Ser. 272, 012008, (2011)
陰イオン性と中性のリン脂質混合系におけるイオン添加誘起の相分離現象について
N. Shimokawa, M. Hishida, et al., Chem. Phys. Lett. 496, 59-63, (2010)
中性膜の膜間距離に対する各種イオンの影響
M. Hishida, Y. Yamamura, K. Saito. Langmuir, 30, 10583–10589 (2014).
M. Hishida, Y. Kaneko, Y. Yamamura, K. Saito J. Solution Chem., 45, 1612-1619 (2016).
塩存在下での非イオン性界面活性剤表面での水の配向とホフマイスター効果のメカニズム
M. Hishida et al., J. Chem. Phys. 142, 171101 (2015)
We have been studying how ions interact with phospholipid bilayers in aqueous solutions and how these interactions affect the structural formation of lipid membranes. Ionic lipids naturally interact strongly with their counterions, and the electrostatic interactions between lipids are greatly affected. Therefore, it is possible to induce phase separation in the membrane surface by adding ions.
However, the lipid-lipid interaction is also strongly affected by the addition of ions to neutral phospholipid solutions. We first studied the interaction of ions with neutral lipid membranes and how it affects the lipid-lipid interaction, focusing on the lamellar-lamellar phase separation phenomenon induced by this condition. The dependence of the lamellar structure of lipid membranes on ion species and ion concentration suggested that this phenomenon originates from so-called "salting-out" interactions. Salting-out has long been known to occur in a variety of material systems, including proteins, and is thought to be caused by ions changing the hydration state of the solute. However, the mechanism of salting-out is not well understood, and an essential physical understanding of how it relates to the interaction between soft matter is needed.
In addition, we measured how the distance between the bilayers of neutral phospholipids changes with the addition of ions and how it changes with the ion species. So far, the change in the interlayer distance due to the addition of ions has been explained by the increase in electrostatic repulsion due to the adsorption of ions to the membrane. Therefore, the degree of ion adsorption was also investigated by measuring the surface potential of the membranes when various ions were added. The correlation between the surface potential of the membrane and the inter-membrane distance was found to be completely uncorrelated, when we use two types of lipids and six types of salts. Previous models of the intermembrane distance could not explain this result at all. This means that some new model is needed to describe the effect of salt on the intermembrane interaction. Although the origin of this effect is unknown at this time, there is a strong possibility that salt repulsion is involved.
It has long been known that the strength of salt repulsion depends on the ion species. This is called the Hofmeister effect. The Hofmeister effect is thought to be due to the ion-induced change in the hydrogen bonding state of water, which depends on the ion species. It is thought that the hydration state of lipids and proteins is also changed by this effect. In order to investigate this, the hydration state of the surface of nonionic surfactants was studied using SFG spectroscopy. The results show that the water on the surface is particularly oriented by anions. The state change of the water was also different depending on the ionic radius of the anion. It was also found that the cation "breaks" the hydration water formed by the anion. It can be said that the Hofmeister effect is created by the complex interplay of the different functions of anions and cations and their dependence on ionic radius.
Mechanism of lamellar-lamellar phase separation in neutral phospholipid membranes with monovalent salts
M. Hishida, H. Seto, J. Phys.: Conf. Ser. 272, 012008, (2011).
Ion doping-induced phase separation of anionic and neutral phospholipid mixtures
N. Shimokawa, M. Hishida, et al, Chem. Phys. Lett. 496, 59-63, (2010)
Effect of various ions on the inter-membrane distance of neutral lipids
M. Hishida, Y. Yamamura, K. Saito. Langmuir, 30, 10583-10589 (2014).
M. Hishida, Y. Kaneko, Y. Yamamura, K. Saito J. Solution Chem. 45, 1612-1619 (2016).
Mechanism of water orientation and Hofmeister effect on nonionic surfactant surface in the presence of salt.
M. Hishida et al. J. Chem. Phys. 142, 171101 (2015).