[論文レビュー] Study of DMPS Monolayers on a Water Substrate with Laboratory X-ray Reflectometer

А. М. Тихонов, В. Е. Асадчиков+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2017

Lipid Membrane Structure and Behavior参考文献 35被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、~8 keVのラボラトリX線反射率を用いて、水面上のジミリスチルホスファチジルセリン（DMPS）単層膜の相転移領域における分子構造を調査した。20±3 Åの厚さの拡張液体相から28±2 Åの厚さのゲル相への転移が観察され、炭化水素鎖は26°±8°の角度で傾いている。これに伴い、極性ヘッドグループの水和度は2倍低下しており、モデルに基づくおよびモデルフリーな解析手法の両方で確認された。

ABSTRACT

The molecular structure of dimyristoyl phosphatidylserine (DMPS) monolayers on a water substrate in different phase states has been investigated under normal conditions by X-ray reflectometry with a photon energy of ~ 8 keV. According to the experimental data, the transition from a two-dimensional expanded liquid state to a solid gel state (liquid crystal) accompanied by the ordering of the hydrocarbon tails of the DMPS molecule occurs in the monolayer as the surface pressure rises. The monolayer thickness is (20 +/- 3) Angstrom and (28 +/- 2) Angstrom in the liquid and solid phases, respectively, with the deflection angle of the molecular tail axis from the normal to the surface in the gel phase being (26 +/- 8) deg. At least a twofold decrease in the degree of hydration of the polar lipid groups also occurs under two-dimensional monolayer compression. The reflectometry data have been analyzed using two approaches: under the assumption about the presence of two layers with different electron densities in the monolayer and without any assumptions about the transverse surface structure. Both approaches demonstrate satisfactory agreement between themselves in describing the experimental results.

研究の動機と目的

• 水面上のDMPS単層膜が相転移を経る際の分子レベルでの構造的変化を調査すること。
• X線反射率を用いて、異なる相状態における単層膜の電子密度プロファイルを特定すること。
• 相転移に伴う電気的ポテンシャルの変化が、水和状態および分子配向の変化に起因するという仮説を検証すること。
• 事前知識に基づく（モデルベース）およびモデルフリー（モデルレス）な解析手法を用いて、構造モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• Cu Kα放射（8.048 keV、λ = 1.5405 Å）とSi（111）モノクロメーターを用いたラボラトリ回折計を用いたX線反射率測定。
• 封止セルを用いた測定で、X線透過性窓を備えたKCl水溶液基相（10 mmol/L、pH 7）上にDMPS単層膜を展開。
• 水平方向の圧縮により表面圧を制御し、分子あたりの面積（A）を約34 Ų（ゲル相）から約100 Ų（拡張液体相）に変化。
• 2つの解析手法を用いた：（1）固定された電子密度層を持つ二層モデル、（2）事前の構造的制約なしのモデルフリー手法。
• 反射率曲線からχ²最小化法（90%信頼水準）を用いて電子密度プロファイルを再構築。
• 垂直入射角に近い入射角における鏡面反射幾何学的配置を解析するため、散乱ベクトルqz = 2k₀sinαを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 DMPS単層膜の2次元拡張液体相から固体ゲル相への転移に伴い、分子構造はどのように変化するか？
• RQ2 異なる相状態における極性リピッドヘッドグループの水和度は何か？また、圧縮によってどのように変化するか？
• RQ3 表面圧の上昇に伴い、炭化水素鎖の配向および傾き角度はどのように変化するか？
• RQ4 X線反射率データの解析において、モデルベースとモデルレスの両手法が、単層膜構造をどの程度一致して記述できるか？
• RQ5 相転移に伴い観察された電気ポテンシャルの上昇（最大~200 mV）を引き起こす構造的要因は何か？

主な発見

• 表面圧が上昇するに従い、単層膜の厚さは液体相で(20±3) Åからゲル相で(28±2) Åに増加した。
• ゲル相では、炭化水素鎖が表面法線から26°±8°の角度で傾いていることが判明し、顕著な整列と密着が示された。
• 圧縮に伴い、極性ヘッドグループの水和度は少なくとも2倍低下し、拡張相では約20 H₂O/グループ、ゲル相では約8 H₂O/グループに減少した。
• モデルベースおよびモデルレス両解析から得られた電子密度プロファイルは良好に一致しており、構造解釈の妥当性が裏付けられた。
• 極性ヘッドグループ領域の電子密度（ρ₁/ρw ≈ 1.4）は、鎖領域（ρ₂/ρw ≈ 0.95）よりも高く、界面幅は約3 Åの急峻な勾配を示した。
• 観察されたポテンシャル上昇は、水和度の低下のみでは説明できない。水分子の双極子モーメントの再配列およびカチオンの吸着が、主な寄与要因であると考えられる。