[論文レビュー] Controlling Anomalous Diffusion in Lipid Membranes

Helena L.E. Coker, Matthew R. Cheetham+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2017

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、PEG化脂質のモル分率を調整することで膜欠陥の形成を制御し、異常拡散を調整可能なチューナブルなモデル系を提示する。この系は、調整可能な異常指数αを有するべきべき乗則則的平均二乗変位スケーリングを示し、生物学的関連時間スケールにわたり再現性があり定量的な拡散行動の制御を可能にし、膜拡散研究における長年の要望である陽性コントロールを満たす。

ABSTRACT

Diffusion in cell membranes is not just simple two-dimensional Brownian motion, but typically depends on the timescale of the observation. The physical origins of this anomalous sub-diffusion are unresolved, and model systems capable of quantitative and reproducible control of membrane diffusion have been recognised as a key experimental bottleneck. Here we control anomalous dif- fusion using supported lipids bilayers containing lipids derivatized with polyethylene glycol (PEG) headgroups. Bilayers with specific excluded area fractions are formed by control of PEG-lipid mole fraction. These bilayers exhibit a switch in diffusive behaviour, becoming anomalous as bilayer continuity is disrupted. Diffusion in these bilayers is well-described by a power-law dependence of the mean-square displacement with observation time. The parameters describing this diffusion can be tailored by simply controlling the mole fraction of PEG-lipid, producing bilayers that exhibit diffusive behaviour with similar characteristics to those observed in biological membranes.

研究の動機と目的

• 生物学的膜における異常拡散の再現性があり実験的にチューニング可能なモデルの欠如に応える。
• 異常拡散を研究する上での実験的ブottleneckを克服し、制御可能な拡散行動を有する系を構築する。
• 複数の時間スケールにわたり及び生物学的膜の挙動を模倣する異常拡散の陽性コントロールを提供する。
• 膜欠陥構造と異常拡散パラメータ（特に異常指数α）との関係を調査する。
• 今後の拡散制御生物学的プロセスの研究を可能にするために、特許化された膜特性を有する合理的な設計プラットフォームを提供する。

提案手法

• PEG化脂質（PEG-DPPE）のモル分率を変化させたサポートドリップドバイレイヤー（SLBs）を設計し、除外面積率と欠陥形成を制御する。
• 個々の粒子の追跡に単一分子全内部全反射蛍光（smTIRF）および干渉型散乱（iSCAT）顕微鏡を用い、時間スケール4桁分（マイクロ秒から秒）にわたり測定した。
• 平均二乗変位（MSD）を測定し、べき乗則モデルに適合：MSD(t) ∝ t^α、ここでα < 1は異常サブ拡散を示す。
• 格子ベースのシミュレーションを実施し、除外面積率と異常指数αとの関係を評価するとともに、欠陥トポロジーをモデル化した。
• 原子間力顕微鏡（AFM）を用いて欠陥のサイズおよび形態を特徴づけ、実験的AFMの全幅半最大（FWHM）とシミュレーションによる欠陥寸法を比較した。
• パーコレーション理論を用いて、正規拡散から異常拡散への遷移を解釈し、除外面積率 ≈ 0.232 ± 0.054 のパーコレーション閾値を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サポートドリップドバイレイヤー中のPEG化脂質を用いて、生物学的関連時間スケールにわたり異常拡散行動を定量的にチューニング可能か？
• RQ2 PEG脂質のモル分率が異常指数αおよび異常拡散への遷移に与える影響は何か？
• RQ3 膜欠陥構造（サイズ、形状、分布）と観察された異常拡散パラメータとの関係は何か？
• RQ4 障害物誘発拡散の格子ベースのシミュレーションの予測と、実験結果の一致度はどの程度か？
• RQ5 どの除外面積率で系が正規拡散から異常拡散に遷移するか？また、理論的パーコレーション閾値と比較するとどうなるか？

主な発見

• べき乗則則的MSD(t) ∝ t^α における異常指数αは、PEG脂質のモル分率を制御することで正確にチューニング可能であり、異常拡散を体系的に制御可能である。
• 観察された時間スケール（マイクロ秒から秒）にわたり、系は異常拡散を示し、PEG脂質含有量が増加するに従いαが約0.8から約0.4に減少する。
• 異常拡散の発現に伴うパーコレーション閾値は、実験的に除外面積率0.232 ± 0.054で決定され、理論的予測と整合的である。
• 実験データは、異なるPEG分子量においてlog₁₀(D/Γ) 対 α に一定の勾配を示し、欠陥のサイズ（数や広がりではなく）が主因であることを示唆しており、欠陥の平均幅は約150 nmである。
• AFM測定では、シミュレーション予測より約3倍小さい欠陥FWHM値が得られ、これは実験における界面的・不規則な欠陥トポロジーとシミュレーションにおける円形欠陥との差異に起因すると考えられる。
• シミュレーションではαが障害物サイズに強く依存するが、実験ではそのような依存性が認められず、実験系では欠陥サイズがサイズ不変であり、界面エネルギーおよびパッケージング制約によって支配されている可能性を示唆している。