研究成果

膜脂質構造に依存した膜孔形成とその動態解析　〜脂質-膜孔制御による膜強度制御システムの構築と血球モデル実現化を目指して〜:冨田典子【シラキュース大学】

　近年、循環器系疾患の治療法に汎用される医療デバイス評価のために、血球バイオモデル開発が急務となっている。本研究では、赤血球膜に特異的に作用して膜の物性を硬化・脆弱化させることが可能な膜孔タンパク質を利用して、患者の状態を反映した膜強度多様化赤血球モデルの開発を目指している。シラキュース大学との共同研究では、大腸菌外膜孔タンパク質変異体 FhuAΔC/Δ4L、キノコ由来膜孔タンパク質 Ply、および平面脂質二重膜システム(PLBS)を使用して(図1)、形状または電荷が異なる脂質上での、膜孔形成動態を試験した。
　FhuAΔC/Δ4L においては、膜孔のコンダクタンスは脂質形状および電荷に非依存的であるが、安定性に関しては、Cylinder型脂質膜上に形成されたFhuAΔC/Δ4L膜孔が長くOpen状態を維持できることが明らかとなった(図2)。Plyにおいては、脂肪酸側鎖の炭素数が18以上の構造を有するスフィンゴミエリン膜上にのみ成熟型膜孔が認められた(図3)。本研究成果は、脂質形状および膜厚が膜孔形成と安定性に重要であること、また脂質と膜孔の組合せによって膜全体の物性を制御できる可能性を示している。さらにCryo-TEMを使用して、Ply膜孔の高分解画像の取得に成功した(図4)。この成功は、世界で初めてのことである。この成果により、脂質-膜孔間の相互作用形態を分子レベルで考察することが可能となった。今後は血球モデルとして脂質二重膜小胞(リポソーム)を使用し、脂質-膜孔制御により、膜強度多様化血球モデルの実現化を試みたい。

図1 平面脂質二重膜システム(PLBS)
図1 平面脂質二重膜システム(PLBS)		 図2 様々な脂質膜上のFhuAΔC/Δ4L膜孔の(A)電流-電圧相関関係図および (B)膜孔閉鎖開始時間の比較(Cited by BBA biomembrane 1828, pp.1057-1065,(2013))
図2 様々な脂質膜上のFhuAΔC/Δ4L膜孔の(A)電流-電圧相関関係図および (B)膜孔閉鎖開始時間の比較(Cited by BBA biomembrane 1828, pp.1057-1065,(2013))
図3 (A)PLBSによるスフィンゴミエリン膜上におけるPly膜孔形成の検出 および (B)Ply膜孔のネガテイブ染色電子顕微鏡像
図3 (A)PLBSによるスフィンゴミエリン膜上
におけるPly膜孔形成の検出 および
(B)Ply膜孔のネガテイブ染色電子顕微鏡像		 図4 (A)Ply膜孔のCryo電子顕微鏡像、(B) 膜孔top viewおよびside view の平均化画像、(C)平均化画像から構築した膜孔3次元構造
図4 (A)Ply膜孔のCryo電子顕微鏡像、(B) 膜孔top viewおよびside view の平均化画像、(C)平均化画像から構築した膜孔3次元構造

 

学術論文

  1. Noriko Tomita, Mohammad M. Mohammad, David J. Niedzwiecki, Makoto Ohta, and Liviu Movileanu, “Does the lipid environment impact the open-state conductance of an engineered beta-barrel protein nanopore?”, Biochimica et Biophysica Acta Biomembranes Vol.1828, (2013) 1057-1065.
  2. Noriko Tomita, Stephan Wilkens, Liviu Movileanu and Makoto Ohta, “Study on Molecular Structure and Physiological Function of Pleurotolysin based on Cryo-TEM Analysis”, Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, to be submitted.
  3. Mohammad M. Mohammad, Khalil R. Howard, Noriko Tomita, Makoto Ohta, and Liviu Movileanu, “Insights into the quaternary structure of a bacterial ABC transporter involved in polysaccharides export”, Journal of Biological Chemistry, to be submitted.

学会発表

  1. Noriko Tomita, Liviu Movileanu, and Makoto Ohta, “Electrophysiological Properties of Bacterial Membrane Channel Proteins Depending on Lipid Component and Bilayer Stability”, 9th International Conference on Flow Dynamics, Sep. 19-21, 2012, Syracuse, USA (Video conference between Tohoku University and Syracuse University), (Invited lecture), pp.432-433
  2. Makoto Ohta, Liviu Movileanu, Noriko Tomita, “Channel Properties of Membrane Proteins on Lipid Bilayer”, The 12th International Symposium on Advanced Fluid Information and Transdisciplinary Fluid Integration (AFI/TFI-2012), Sep. 19-21, 2012, Sendai, Japan, pp.100-101.
  3. 冨田 典子, 「膜孔を利用した膜強度多様化血球モデルの開発」 21st JSPS Gathering Meeting, Oct. 26, 2012, Boston, USA, p.21-21
  4. Noriko Tomita, “Electrophysiological Study of Membrane Channel Proteins on Various Membrane Environment and Application for Cell Model”, Syracuse University and Tohoku University Joint Seminar, Nov.8, 2012, Syracuse, USA. (Special lecture)
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