Japan Advanced Institute of Science and Technology
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https://dspace.jaist.ac.jp/Title
脂質膜へテロ界面はナノ物質をサイズ依存的に識別す
る
Author(s)
濱田, 勉
Citation
生物物理, 53(4): 210-211
Issue Date
2013
Type
Journal Article
Text version
author
URL
http://hdl.handle.net/10119/11645
Rights
Copyright (C) 2013 日本生物物理学会. 濱田勉, 生物
物理, 53(4), 2013, 210-211.
http://dx.doi.org/10.2142/biophys.53.210
Description
CiNiiへのリンク
http://ci.nii.ac.jp/naid/130003362505
Size-dependent partitioning of nanoparticles mediated by membrane lateral heterogeneity Tsutomu HAMADA
School of Materials Science, Japan Advanced Institute of Science and Technology トピックス
脂質膜へテ ロ界面はナ ノ 物質をサイ ズ依存的
に識別する
濵田勉
北陸先端科学技術大学院大学マテリアルサイエンス研究科 1. は じ め に 近年 、 医療や化粧品 な ど 多 く の産業分野で 、 新 た な 機能性材料 と し て ナ ノ 粒子の研究開発が進ん で い る ． し か し 、 ナ ノ サ イ ズ の物質の生体や人体に対す る 影響 は よ く 分か っ て お ら ず 、 そ の客観的 な 評価基準の確立 が急がれ て い る 1) ． 生体に対す る 作用機構 を 理解す る た め には 、 生体 を 構成す る 細胞の表面 、 す な わ ち 細胞 膜で のナ ノ 粒子の振 る 舞い を 明 ら か にす る こ と が必須 と な る （ 図 1 ）． 本稿で は 、 生細胞膜の特徴的構造 を 再現 し た 人工細胞膜 （ 細胞サ イ ズ リ ポ ソ ー ム ） を 用い た2) 、 脂質膜 と ナ ノ 粒子 と の相互作用の研究成果 を 紹 介す る ． 図 1 細 胞 膜 へ の ナ ノ 粒 子 の 作 用 ． ２ . 相 分 離 に よ り 形 成 さ れ る 細 胞 表 面 の ヘ テ ロ 構 造 細胞膜は 、 多成分の脂質か ら 成 る 分子集合体で あ る ． 膜 を 構成す る 脂質分子は 、 膜面で一様に混合せず 、 周 囲か ら 分離 し た 領域 （ 膜 ド メ イ ン 、 例 え ば脂質 ラ フ ト ） を 形成 し て い る （ 図 1 ） 3) ． こ の膜 ド メ イ ン は受容体 タ ン パ ク 質等 を 選択的に局在 さ せ 、 シ グ ナル伝達や小 胞輸送 な ど の場 と し て 機能す る と 考 え ら れ て い る ． 膜 ド メ イ ン の形成原理は 、 膜内の相分離現象 と し て 理解 で き る ． 相転移温度の異 な る 脂質分子が共存す る と 、 脂質分子の ア シ ル基の運動性が抑 え ら れ た 「 秩序相 」 状態 （ 膜 ド メ イ ン に対応す る ） と 、 流動性の高い 「 無 秩序相 」 状態の領域 （ 周囲の膜に対応す る ） に 、 それ ぞれの分子が分布す る ． こ の よ う な 細胞膜のヘ テ ロ 界面は 、 人工脂質膜小胞 （ リ ポ ソ ー ム ） で再現す る こ と が出来 る 4) ． コ レ ス テ ロ ール ・ 飽和脂質 ・ 不飽和脂質か ら 細胞サ イ ズ の リ ポ ソ ー ム を 作成 し 、 流動性の高い非 ド メ イ ン 領域に局在 す る 蛍光色素 を 用い る こ と で 、 リ ポ ソ ー ム 表面の ド メ イ ン 構造 を 可視化す る ． 図 ２ 細 胞 サ イ ズ リ ポ ソ ー ム へ の ナ ノ 粒 子 の 吸 着 挙 動 ． 蛍 光 顕 微 鏡 像 (a,b) と 模 式 図 (c) ． 緑 色 が ナ ノ 粒 子 、 赤 色 が 非 ド メ イ ン 領 域 （ 無 秩 序 相 ） に 分 布 す る 蛍 光 脂 質 に 由 来 す る ． (Reprinted with permission from J. Am. Chem. Soc.,134,脂質膜はナノ物質をサイズ依存的に識別する ３ . 脂 質 膜 ヘ テ ロ 界 面 へ の ナ ノ 粒 子 の 吸 着 挙 動 我々は 、 こ のヘ テ ロ 界面 を 持つ細胞サ イ ズ リ ポ ソ ー ム に対 し て 、 直径50～ 1000 nm の ポ リ ス チ レ ン 粒子 を 添加 し 、 相互作用 を 蛍光顕微鏡で観察 し た 5) ． す る と 、 粒子サ イ ズ 200nm を 境に 、 小 さ い粒子は ド メ イ ン に 、 大 き い粒子は周囲の非 ド メ イ ン 領域に選択的に吸 着 し た （ 図 2 ）． ま た 、 温度変化に よ る 一時的 な ド メ イ ン 消滅や 、 レ ーザー ト ラ ッ プ に よ る 外力印加 な ど の 揺動に対 し て 、 ナ ノ 粒子は こ の局在性 を 維持 し た ． 生 細胞膜におい て 膜 ド メ イ ン は エ ン ド サ イ ト ー シ ス 小胞 を 形成す る 場 と し て 考 え ら れ て お り 、 こ の ド メ イ ン 誘 起エ ン ド サ イ ト ー シ ス は人工膜で再現 さ れ て い る 6) ． す な わ ち 、 我々の実験結果は 、 小 さ いナ ノ 粒子は ド メ イ ン を 介 し て細胞内に取 り 込 ま れやすい事 を 示唆 し て い る ． ４ . ナ ノ 粒 子 吸 着 に 伴 う 脂 質 膜 の 自 由 エ ネ ル ギ ー 変 化 次に 、 ナ ノ 粒子が示す膜局在の物理 メ カ ニ ズ ム につ い て 考察す る ． 本実験条件で は 、 粒子 と 膜の間に働 く 主 な 力は van der Waals 引力で あ り 、 粒子は膜に吸着す る ． こ の と き 、 吸着力が大 き ければ 、 接触面積 を 増や す た め膜は粒子 を 覆 う よ う に変形す る ． し か し 、 膜が 変形す る には 、 膜の弾性力に打 ち 勝つ必要が あ る ． こ の 2 つの競合す る 力 （ エ ネ ル ギ ー ） を 比較す る と 、 膜 変形 を 誘起す る 臨界粒子サ イ ズ D = 2(2/w)1/2が求 ま る ． こ こ で 、 w は膜 と 粒子の吸着エ ネ ル ギ ー 、 は膜の弾 性係数 を 表す ． こ こ に 、 典型的 な 物性値 を 代入す る と 、 粒子の直径 D がnm と 求 ま る ． こ の値は 、 実験で観 察 さ れ た 膜 ド メ イ ン に局在す る 粒子サ イ ズ の閾値 （ 200nm ） と ほぼ同 じ で あ り 、 膜変形の有無が粒子の 局在 メ カ ニ ズ ム に関わ っ て い る こ と を 示 し て い る ． 臨界サ イ ズ 以上の粒子は 、 吸着エ ネ ル ギ ーの寄与が 大 き く 、 膜は粒子 を 覆 う よ う に変形す る ． 膜が変形す る 場合 、 系の自由エ ネ ル ギ ーは曲率弾性エ ネ ル ギ ーで 記述で き 、 そ の エ ネ ル ギ ーは弾性係数に比例す る ． す な わ ち 、 弾性係数の小 さ い周囲の非 ド メ イ ン 領域への 粒子の局在が安定 と な る ． 一方 、 臨界サ イ ズ 以下の粒 子は 、 弾性エ ネ ル ギ ーの寄与が大 き く 、 膜の曲率変形 は起 こ り に く い ． し か し 、 粒子の吸着に伴い膜の熱揺 ら ぎ が制限 さ れ る た め 、 エ ン ト ロ ピ ーが減少す る ． こ の自由エ ネ ル ギ ー変化は 、 弾性係数に反比例す る た め 、 元々揺 ら ぎ が少 な い低流動性の膜 ド メ イ ン に吸着す る 方が安定で あ る ． こ の よ う に 、 膜の自由エ ネ ル ギ ーに よ り 、 サ イ ズ依存的 な 粒子の分配挙動 を 定性的に説明 す る こ と が出来 る ． ５ . ま と め と 展 望 本稿で は 、 人工細胞膜 を 用い た ナ ノ 粒子の挙動解析 を 紹介 し た ． ナ ノ 粒子が膜表面に吸着す る 様子は 、 粒 子の大 き さ に依存 し て 変化す る 、 す な わ ち 、 小 さ い粒 子ほ ど 膜 ド メ イ ン に局在 し やすい こ と を 見出 し た ． そ し て 、 そ の物理 メ カ ニ ズ ム は 、 粒子吸着に伴 う 膜の自 由エ ネ ル ギ ー変化に よ り 理解す る こ と が出来 る ． こ れ は 、 脂質膜の物性が 、 膜表面上でナ ノ 粒子 を 分配す る 機能 を 備 え て い る こ と を 意味す る ． ま た 、 ナ ノ 粒子に 加 え て 、 我々は 、 自己会合性のペプチ ド （ ア ミ ロ イ ド ペプチ ド ） が 、 その重合度 （ 分子の大 き さ ） に応 じ て 、 膜 ド メ イ ン への局在状態 を 変化 さ せ る こ と も 発見 し て い る 7) ． こ の様に 、 脂質膜のヘ テ ロ 界面は 、 様々 な 物質分子に対 し て 、 根源的 な 「 識別 」 機能 を 果 た し て い る こ と が予想 さ れ る ． ま た 、 細胞内には小胞体等 の脂質膜で作 ら れ た コ ン パー ト メ ン ト が い た る 所に存 在 し て お り 、 こ れ ら の膜界面 も ヘ テ ロ 構造で あ る こ と が示唆 さ れ て い る 8) ． す な わ ち 、 細胞内部におけ る 分 子反応の制御に も 、 ヘ テ ロ 膜界面が寄与 し て い る 可能 性が大 き い ． 本稿で紹介した研究成果の共同研究者である北陸先 端科学技術大学院大学の高木昌宏教授に感謝いたしま す．本研究は，科学研究費補助金の支援を受けて行わ れました． 文 献
1) Nel, A. et al. (2006) Science, 311, 622-627.
2) Hamada, T., Yoshikawa, K. (2012) Materials, 5, 2292-2305. 3)Simons, K., Gerl, M. J. (2010) Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 11, 688-699. 4) Hamada, T. et al. (2011) Soft Matter, 7, 9061-9068.
5) Hamada, T. et al. (2012) J. Am. Chem. Soc., 134, 13990−13996. 6) Hamada, T. et al. (2007) J. Phys. Chem. B, 111, 10853-10857.
7) Morita, M., Hamada, T. et al. (2012) Soft Matter, 8, 2816-2819. 8) van Meer, G. et al. (2008) Nat. Rev. Mol. Cell Biol., 9, 112-124.
濵 田 勉 （ は ま だ つ と む ） 北 陸 先 端 科 学 技 術 大 学 院 大 学 マ テ リ ア ル サ イ エ ン ス 研 究 科 准 教 授 2006 年 京 大 理 学 研 究 科 博 士 課 程 修 了 ． 博 士 （ 理 学 ）． 北 陸 先 端 大 助 教 を 経 て 2011 年 よ り 現 職 ． 研 究 内 容 ： ソ フ ト マ タ ー 物 理 学 に 基 づ く 人 工 細 胞 設 計 連 絡 先 ： 〒 923-1292 石 川 県 能 美 市 旭 台 1-1 E-mail: [email protected] http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/hamada/ 写真は全員 分ご用意く ださい． 縦 2.5×横 2cm
