[論文レビュー] Inter-layer slide and stress relaxation in a bilayer fluid membrane in the patch-clamp setting

С. И. Мухин, Svetlana Baoukina|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2003

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、パッチクランプ実験におけるMscLチャネルの適応の理論的メカニズムを提案する。流動性を持つバイレイヤー膜において、圧力誘発的なチャネル開放後に、層間スライドが横方向の応力を低減する。下部モノレイヤーにおける応力緩和が、熱的に活性化されたMscLチャネルの閉鎖を引き起こし、エネルギー障壁が疎水性不一致と熱的活性化によって生じるため、適応時間は約1秒と推定される。これは実験データと整合的である。

ABSTRACT

Protein mechanosensitive channels (MS) are activated by tension transmitted through the lipid bilayer. We propose a theory of lateral stress relaxation in a bilayer lipid membrane exposed to external pressure pulse in the patch-clamp experimental setting. It is shown that transfer of lipid molecules into a strained region is thermodynamically advantageous due to local decrease of the stress. Considered stress relaxation mechanism may explain recent experimental observations (Davidson and Martinac 2003) of adaptation of MscL, bacterial mechanosensitive channel of large conductance, to sustained membrane stretch. Lateral stress relaxation in the monolayer, which controls the gating of MscL, triggers thermally activated transition of the open channels back to the closed state ("adaptation"). We evaluate the contribution of the hydrophobic mismatch between MS channel and lipid bilayer to the energy barrier separating open and closed states. Then, using the MscL thermodynamic model (Sukharev et. al, 1999), we estimate characteristic adaptation times at room temperature to be of the order of seconds, well in the range of the experimental data (Davidson and Martinac 2003). Estimated propagation time of the initial channel-opening stress over the whole membrane is 4-5 orders of magnitude shorter.

研究の動機と目的

• パッチクランプ設定における持続的膜伸張に対するMscLチャネルの実験的観察された適応を説明すること。
• 層間スライドによる横方向応力緩和がMscLチャネルのゲーティングダイナミクスに与える影響を調査すること。
• MscLとリピッドバイレイヤー間の疎水性不一致が、チャネル閉鎖のエネルギー障壁を決定づける役割を定量化すること。
• 一定圧力下でのバイレイヤー膜の自由エネルギー・ランドスケープをモデル化し、ピペット壁へのリピッド接着を考慮すること。
• 応力伝播、層間スライド、チャネル適応の特徴的な時間スケールを推定し、実験的観察と比較すること。

提案手法

• ピペットのガラス壁への接着エネルギーを含む、曲げエネルギー、横方向張力、および自由エネルギー関数を定式化する。
• Yeung & Evans (1995) の層間スライドダイナミクス理論を用いて、横方向応力再分配の時間スケールを推定する。
• Sukharev et al. (1999) のMscL熱力学モデルを適用し、開口状態と閉口状態の間のエネルギー障壁を計算する。
• 自由エネルギー関数の自己無撞着な数値的最小化を実行し、準平衡および完全平衡状態の膜形状を決定する。
• バイレイヤー厚さが疎水性不一致エネルギーに与える影響を評価し、MscLの安定性と適応に与える影響を検討する。
• 理論的適応時間とDavidsonおよびMartinac (2003) の実験データを比較し、約1秒の適応が観察されたこととモデルを妥当化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パッチクランプ実験における持続的膜伸張に対するMscLチャネルの適応のメカニズムは何か？
• RQ2 流動性バイレイヤー膜における層間スライドは、横方向応力緩和とその後のチャネル閉鎖にどのように寄与するか？
• RQ3 バイレイヤー内での応力緩和の特徴的な時間スケールは何か？ これはMscL適応の時間スケールと比較してどうなるか？
• RQ4 MscLとリピッドバイレイヤー間の疎水性不一致は、チャネル閉鎖のエネルギー障壁にどのように影響するか？
• RQ5 リピッドがピペット壁に接着することは、膜の平衡形態および応力分布にどのように影響するか？

主な発見

• バイレイヤー膜における層間スライドは熱力学的に有利であり、圧力印加後0.01〜0.1秒のうちに横方向応力が緩和される。
• MscL適応の特徴的な時間スケールは約1秒と推定され、DavidsonおよびMartinac (2003) の実験的観察と一致する。
• MscLとバイレイヤー間の疎水性不一致エネルギーは2〜20 kBT₀と推定され、チャネル閉鎖のエネルギー障壁に顕著に寄与する。
• ピペットに接着していない下部モノレイヤーにおける応力緩和が、MscLの開口状態から閉口状態への熱的に活性化された遷移を引き起こす。
• 膜を横断する初期の応力伝播の時間スケールは約10−5〜10−4秒であり、適応の時間スケールよりもはるかに速い。
• 本モデルは、薄いバイレイヤー（例：PC-18）では適応が見られず、より厚いバイレイヤー（例：PC-20）では適応が見られることを予測しており、実験データと整合的である。