[논문 리뷰] A swollen phase observed between the liquid-crystalline phase and the interdigitated phase induced by pressure and/or adding ethanol in DPPC aqueous solution

Hideki Seto, Mafumi Hishida외 4명|arXiv (Cornell University)|2006. 02. 21.

Lipid Membrane Structure and Behavior인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 압력 또는 에탄올 첨가 시 DPPC 이중층에서 액체 결정성 상과 상호갈라진 젤 상 사이의 새로운 팽창된 상을 규명한다. 소각자이드 뉴트론 산란(SANS)과 뉴트론 스핀 에코(NSE)를 이용해, 팽창된 상은 수분 간격은 증가하지만 이중층은 강성 있는 것으로 나타나, 비정상적 팽창과는 다름을 보여주며, 이는 압력 또는 에탄올 노출 조건에서 상호갈라진 상 형성의 전구단계로 작용할 가능성이 있다.

ABSTRACT

A swollen phase, in which the mean repeat distance of lipid bilayers is larger than the other phases, is found between the liquid-crystalline phase and the interdigitated gel phase in DPPC aqueous solution. Temperature, pressure and ethanol concentration dependences of the structure were investigated by small-angle neutron scattering, and a bending rigidity of lipid bilayers was by neutron spin echo. The nature of the swollen phase is similar to the anomalous swelling reported previously. However, the temperature dependence of the mean repeat distance and the bending rigidity of lipid bilayers are different. This phase could be a precursor to the interdigitated gel phase induced by pressure and/or adding ethanol.

연구 동기 및 목표

• 압력과 에탄올 농도의 조합에 대한 DPPC 지질 이중층의 구조적 및 기계적 반응을 조사하기 위해.
• 에탄올과 압력이 DPPC 막에서 유사한 구조적 전이를 유도하는지 확인하기 위해.
• 액체 결정성 상과 상호갈라진 젤 상 사이에 관측된 새로운 팽창된 상을 특성화하기 위해.
• 뉴트론 스핀 에코 분광법을 사용해 팽창된 상에서 지질 이중층의 굽힘 강성을 측정하기 위해.
• 다른 상들과의 상호작용력을 비교하여 팽창된 상의 기원을 명확히 하기 위해.

제안 방법

• 소각자이드 뉴트론 산란(SANS)을 사용하여 DPPC 多층 구형 이중층의 평균 반복 거리와 전자 밀도 프로파일이 온도, 압력, 에탄올 농도에 따라 어떻게 변화하는지 측정하였다.
• 뉴트론 스핀 에코(NSE) 분광법을 활용하여 다양한 온도와 상에서 지질 이중층의 동적 굽힘 강성을 측정하였다.
• NSE 데이터에서 굽힘 강성 κ는 관계식 A = (κQ²)/4 를 사용하여 계산되었으며, 여기서 A는 중간 산란함수로부터 유도된 확산 계수이다.
• SANS 데이터 분석을 통해 상 전이 기간 동안 평균 반복 거리와 이중층 두께를 추출하였다.
• 실험은 에탄올 농도(0.00–1.21 M), 압력(최대 100 MPa), 온도(36.0–56.0 °C) 범위에서 수행되었다.
• 반데르발스, 수화, 열적 불안정성 힘 기반 이론 모델을 사용하여 팽창된 상의 기원을 논의하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 에탄올은 DPPC 이중층에서 압력과 동일한 구조적 전이를 일으키는가?
• RQ2 액체 결정성 상과 상호갈라진 젤 상 사이에 관측된 새로운 팽창된 상의 성질은 무엇인가?
• RQ3 팽창된 상에서 지질 이중층의 굽힘 강성은 액체 결정성 상 및 젤 상과 비교해 어떻게 다른가?
• RQ4 팽창된 상은 이전에 보고된 비정상적 팽창과 기계적으로 유사한가?
• RQ5 반데르발스 또는 수화 힘의 변화 없이도 팽창된 상을 안정화시키는 상호작용력은 무엇일 수 있는가?

주요 결과

• 압력 또는 에탄올 첨가 조건에서 액체 결정성(Lα) 상과 상호갈라진 젤(LβI) 상 사이에 새로운 팽창된 상(Ls)이 관측되었다.
• 팽창된 상은 다른 상들보다 훨씬 큰 수분 간격을 보이며, 이중층 두께는 젤 상과 유사하다.
• 팽창된 상에서의 굽힘 강성(κ = 1.6 × 10⁻¹⁸ J, 36.0 °C)은 액체 결정성 상(κ = 1.9 × 10⁻¹⁹ J, 41.0 °C)보다 높아, 더 강성 있는 성질을 나타낸다.
• 팽창된 상의 굽힘 강성은 젤 상과 유사하다(κ = 2.1 × 10⁻¹⁷ J, 38.5 °C), 이는 비정상적 팽창에서 관찰되는 연성화와는 정반대되는 결과이다.
• 팽창된 상는 반데르발스 또는 수화 힘의 변화로 인해 안정화되지 않아, 알려지지 않은 안정화 메커니즘이 존재할 가능성이 있다.
• 에탄올과 압력 모두 젤 상에서 상호갈라진 상으로의 전이 압력을 낮추며, 이는 상호갈라짐을 유도하는 공통 메커니즘을 시사한다.