[논문 리뷰] Study of DMPS Monolayers on a Water Substrate with Laboratory X-ray Reflectometer

А. М. Тихонов, В. Е. Асадчиков외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 22.

Lipid Membrane Structure and Behavior참고 문헌 35인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 약 8 keV에서의 실험실 X선 반사도 측정을 이용하여 수면 위의 디마이리스토일 포스파티딜세린(DMPS) 단일층의 상전이 동안 분자 구조를 조사한다. 이는 20±3 Å 두께의 확장된 액체 상에서 28±2 Å 두께의 젤 상으로의 전이를 보여주며, 수소화 사슬이 26°±8° 기울어져 있어 상당한 정렬과 밀도를 이루고 있음을 확인한다. 이와 함께 극성 헤드그룹의 수화도는 두 배 감소하며, 이는 모델 기반 및 모델리스 분석 방법을 통해 모두 확인된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 수면 위의 DMPS 단일층이 상전이를 겪는 동안 분자 수준의 구조적 변화를 조사하기 위해.
• X선 반사도를 이용하여 다양한 상 상태에서 단일층의 전자 밀도 프로파일을 결정하기 위해.
• 상전이 중 전기적 위치 에너지 변화가 수화도 및 분자 정렬 변화에 기인한다는 가설을 검증하기 위해.
• 사전 모델(모델 기반)과 모델리스(모델리스) 분석 방법을 모두 사용하여 구조 모델의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• Cu Kα 방사선(8.048 keV, λ = 1.5405 Å)과 Si(111) 단색기를 사용한 실험실 회절계를 이용한 X선 반사도 측정.
• 밀봉된 세포 내 KCl 수용액 기질(10 mmol/L, pH 7) 위에 펴진 DMPS 단일층에서 측정 수행. X선 투과 창을 갖춘 구조.
• 표면 압력을 수평 압축을 통해 제어하며, 분자당 면적(A)을 약 34 Ų(젤 상)에서 약 100 Ų(확장된 액체 상)로 변화.
• 두 가지 분석 방법을 사용: (1) 고정된 전자 밀도 층을 갖는 이중층 모델, (2) 사전 구조적 제약 조건이 없는 모델리스 접근.
• 반사도 곡선에서 χ² 최소화 기법(90% 신뢰수준)을 사용해 전자 밀도 프로파일 복원.
• 경사 입사 기하학에서 거울 반사 현상을 분석하기 위해 산란 벡터 qz = 2k₀sinα를 사용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2차원 확장된 액체 상에서 고체 젤 상으로의 전이 동안 DMPS 단일층의 분자 구조는 어떻게 변화하는가?
• RQ2 다른 상 상태에서 극성 지질 헤드그룹의 수화도는 얼마이며, 표면압 증가에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 표면압 증가에 따라 수소화 사슬의 정렬 및 기울기 각도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 모델 기반 및 모델리스 분석 방법 간의 X선 반사도 데이터 해석이 단일층의 구조를 얼마나 잘 일치시키는가?
• RQ5 관측된 전기 위치 에너지 증가(약 ~200 mV)에 기여하는 구조적 요인는 무엇인가?

주요 결과

• 표면압 증가에 따라 단일층 두께는 액체 상에서 (20±3) Å에서 젤 상에서 (28±2) Å로 증가한다.
• 젤 상에서 수소화 사슬은 표면 법선으로부터 26°±8° 기울어져 있어 상당한 정렬과 밀도를 나타낸다.
• 압축에 따라 극성 헤드그룹의 수화도는 최소 두 배 감소하며, 확장 상에서 약 20개의 H₂O 분자에서 젤 상에서 약 8개의 H₂O 분자로 감소한다.
• 모델 기반 및 모델리스 분석에서 유도된 전자 밀도 프로파일 간에 뛰어난 일치를 보이며, 구조적 해석의 타당성이 검증된다.
• 극성 헤드그룹 영역은 껍질 영역보다 높은 전자 밀도(ρ₁/ρw ≈ 1.4)를 가지며, 사슬 영역은 낮은 전자 밀도(ρ₂/ρw ≈ 0.95)를 보이며, 날카운 인터페이스 두께는 약 3 Å이다.
• 관측된 전위 증가 현상은 수화도 감소만으로는 설명할 수 없으며, 수분 분자의 다이폴 모멘트 재정렬 및 카이온의 흡착이 주요 기여 요소일 가능성이 높다.