[논문 리뷰] Controlling Anomalous Diffusion in Lipid Membranes

Helena L.E. Coker, Matthew R. Cheetham외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 14.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 1인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 PEG 라이프이드를 포함한 지지 지질 이중층에서 PEG-지질 목분율을 조절하여 이중층 결함 형성을 조절함으로써 비정상적 확산을 제어할 수 있는 조절 가능한 모델 시스템을 제안한다. 이 시스템은 조절 가능한 비정상적 지수 α를 가진 거듭제곱 법칙에 따른 평균 제곱 이동 스케일링을 보이며, 생물학적으로 관련된 시간 스케일에서 재현 가능하고 정량적인 확산 행동 제어를 가능하게 하여 오랫동안 요구되어 온 막 확산 연구에서의 양성 대조군을 충족시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 생물막 내 비정상적 확산에 대한 재현 가능하고 실험적으로 조절 가능한 모델의 부족을 해결한다.
• 비정상적 확산을 연구하는 데 있어 경험적 한계를 극복하기 위해 제어 가능한 확산 행동을 가진 시스템을 구축한다.
• 다양한 시간 스케일을 포함하고 생물막 행동을 모방하는 비정상적 확산에 대한 양성 대조군을 제공한다.
• 지질 이중층 결함 구조와 비정상적 확산 매개변수(예: 비정상적 지수 α) 간의 관계를 조사한다.
• 미래의 확산 제어 생물학적 과정 연구를 가능하게 하기 위해 맞춤형 막 성질을 위한 합리적 설계 플랫폼을 제공한다.

제안 방법

• PEG 라이프이드의 목분율을 변화시켜 배제 영역 분율과 결함 형성을 제어하는 엔지니어링된 지지 지질 이중층(SLBs)을 제작한다.
• 단일 분자 총내반사형 형광(스모트TIRF) 및 간섭형산란(iSCAT) 현미경을 사용하여 시간에 따라 네 개의 시간 스케일 범위에서 개별 입자를 추적한다.
• 평균 제곱 이동(MSD)을 측정하고, 거듭제곱 법칙 모델에 데이터를 적합한다: MSD(t) ∝ t^α, 여기서 α < 1은 비정상적 분산을 나타낸다.
• 격자 기반 시뮬레이션을 수행하여 배제 영역 분율과 비정상적 지수 α 간의 관계를 규명하고, 결함 구조를 모델링한다.
• 원자력 현미경(AFM)을 사용하여 결함 크기와 형태를 특성화하고, 실험적 AFM 전고도 반폭(FWHM)을 시뮬레이션된 결함 치수와 비교한다.
• 퍼콜레이션 이론을 적용하여 정상적 확산에서 비정상적 확산으로의 전이를 해석하고, 배제 영역 분율 ≈ 0.232 ± 0.054에서 퍼콜레이션 임계점이 존재함을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지지 지질 이중층 내 PEG 라이프이드를 사용하여 생물학적으로 관련된 시간 스케일에서 비정상적 확산 행동을 정량적으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 PEG-지질의 목분율은 비정상적 지수 α와 비정상적 확산으로의 전이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 지질 이중층 결함 구조(크기, 형태, 분포)와 관측된 비정상적 확산 매개변수 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ4 실험 결과는 장애물에 의한 확산을 모의하는 격자 기반 시뮬레이션의 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 어느 정도의 배제 영역 분율에서 시스템은 정상적 확산에서 비정상적 확산으로 전이되며, 이는 이론적 퍼콜레이션 임계점과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 거듭제곱 법칙에 따른 MSD(t) ∝ t^α 의존성에서 비정상적 지수 α 는 PEG-지질 목분율을 제어함으로써 정밀하게 조절 가능하여 비정상적 확산을 체계적으로 제어할 수 있다.
• 관측된 시간 스케일(마이크로초에서 초까지)에서 시스템은 비정상적 확산을 나타내며, PEG-지질 함량이 증가함에 따라 α 가 약 0.8에서 약 0.4로 감소한다.
• 비정상적 확산의 시작에 대한 퍼콜레이션 임계점은 실험적으로 0.232 ± 0.054의 배제 영역 분율에서 결정되었으며, 이는 이론적 예측과 일치한다.
• 실험 데이터는 다양한 PEG 분자량에서 log₁₀(D/Γ) 대 α 의 일정한 기울기를 보이며, 이는 결함 크기(수의 수 또는 범위가 아닌)가 주요 요인임을 시사한다. 평균 결함 너비는 약 150 nm이다.
• AFM 측정 결과 결함 FWHM 값은 시뮬레이션 예측보다 약 3배 작았으며, 이는 실험에서의 결함 구조(표면계/비정형)와 시뮬레이션에서의 원형 구조 간의 차이에서 기인한 것으로 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 α 가 장애물 크기에 강하게 의존하는 것으로 나타났지만, 실험 결과에서는 이러한 의존성이 없었으며, 이는 실험 시스템에서 결함 크기가 크기 불변성임을 시사하며, 이는 표면 에너지 및 배열 제약 조건에 의해 결정될 가능성이 있다.