[論文レビュー] Area per Lipid in DPPC-Cholesterol Bilayers:Analytical Approach

Boris B. Kheyfets, С. И. Мухин|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2015

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、DPPCリン脂質を柔軟なストリングとして、コレステロールを剛体ロッドとして表現する解析的モデルを提案し、DPPC-コレステロール二重層におけるリン脂質1分子当たりの面積を予測する。膜界面における横方向圧力をコレステロール濃度に比例すると仮定し、非線形な熱力学的平衡面積を考慮することで、モデルはリン脂質1分子当たりの面積の傾向を正確に再現し、NMR秩序パラメータおよび熱的面積膨張係数を予測する。これは膜の熱力学的挙動を微視的に理解するためのフレームワークを提供する。

ABSTRACT

Area per molecule in a DPPC-Cholesterol bilayers depends non-linearly on the cholesterol concentration. Using flexible strings model of lipid membranes we calculate area per molecule in DPPC-Cholesterol mixtures in the biologically relevant concentrations range. Few parameters of the model are optimized for a perfect agreement with the area per lipid data available from molecular dynamics simulations. Lateral pressure at the hydrophilic interface, γ, is taken to be proportional to the cholesterol concentration. Non-linearity arises as a consequence of the non-linear dependence of thermodynamical equilibrium area of molecules on γ. DPPC lipid is modeled as flexible string of finite thickness and a given bending rigidity, while cholesterol molecule is modeled as rigid rod with finite thickness and infinite rigidity. Using parameters fitted to reproduce area per molecule dependence on cholesterol concentration, we had further calculated our model predictions for the NMR order parameter of DPPC lipid chains and coefficient of thermal area expansion. The microscopic nature of the model allows to consider a broad range of thermodynamic phenomena.

研究の動機と目的

• DPPC二重層におけるコレステロール濃度に伴うリン脂質1分子当たりの面積の非線形依存性を捉える解析的モデルの構築を目的とする。
• ヘテロアフィル的界面における横方向圧力とコレステロール濃度の関係を結びつけることで、リン脂質1分子当たりの面積の非線形性の微視的起源を理解することを目的とする。
• 物理的に根拠のあるモデルを用いて、NMR秩序パラメータや熱的面積膨張係数などの熱力学的性質を予測することを目的とする。
• 生物学的に意味のあるコレステロール濃度範囲において、分子動力学シミュレーションデータに合わせてモデルのパラメータを最適化することを目的とする。

提案手法

• DPPCリン脂質を有限の厚さと曲げ剛性を持つ柔軟なストリングとしてモデル化する。
• コレステロール分子を有限の厚さと無限の剛性を持つ剛体ロッドとして表現する。
• 膜界面における横方向圧力（γ）がコレステロール濃度に比例すると仮定する。
• 熱力学的原則に基づき、γの非線形関数としての分子1個当たりの平衡面積を導出する。
• 分子動力学シミュレーションからのリン脂質1分子当たりの面積データに一致するようにモデルパラメータを最適化する。
• フィッティングされたモデルを用いて、NMR秩序パラメータや熱的面積膨張係数といった追加の観測量を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DPPC-コレステロール二重層におけるリン脂質1分子当たりの面積は、コレステロール濃度にどのように非線形に依存するのか。その背後にある物理的メカニズムは何か。
• RQ2 ヘテロアフィル的界面における横方向圧力は、混合リン脂質-コレステロール膜におけるリン脂質1分子当たりの面積を決定する上で果たす役割は何か。
• RQ3 柔軟なストリングと剛体ロッドに基づく簡略化された解析的モデルは、分子動力学シミュレーションで観測されたリン脂質1分子当たりの面積の傾向を定量的に再現できるか。
• RQ4 モデルは、NMR秩序パラメータや熱的面積膨張係数といった二次的な膜の性質をどれほどよく予測できるか。
• RQ5 モデルの微視的仮定が、膜の相挙動および安定性を理解する上で示す意味は何か。

主な発見

• モデルは、横方向圧力（γ）に対する平衡面積の非線形応答に起因する、コレステロール濃度に伴うリン脂質1分子当たりの面積の非線形依存性を成功裏に再現した。
• 生物学的に意味のあるコレステロール濃度範囲において、分子動力学シミュレーションからのリン脂質1分子当たりの面積データと完全に一致するようにモデルパラメータを最適化した。
• モデルはDPPCのアシル鎖のNMR秩序パラメータを、実験的傾向と整合するように予測し、物理的妥当性を裏付けた。
• モデルは熱的面積膨張係数を定量的に予測し、リン脂質1分子当たりの面積の予測を越えた予測力を持つことを示した。
• 柔軟なストリングと剛体ロッドの表現は、リン脂質-コレステロール膜における熱力学的現象を理解するための微視的根拠を提供する。