[논문 리뷰] The order-disorder phase transition in lipid bilayers mediates a force for assembly of transmembrane proteins

Shachi Katira, Kranthi K. Mandadapu외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 13.

Lipid Membrane Structure and Behavior인용 수 5

한 줄 요약

논문은 수소화 불일치와 질서-비질서 상전이에 가까이 있을 때 발생하는 상호작용의 상호작용으로 인해 지질 이중층 내 전막 단백질 조립을 이끄는 '질서 혐오 효과(orderphobic effect)'를 제안한다. 대규모 분자 동역학 시뮬레이션을 통해, 비정질 상과 수소화 두께가 일치하는 단백질이 정질 막에 통합될 경우, 막의 인터페이스 영역이 안정화되고, 이로 인해 표면 자유 에너지가 감소하여 막 탄성에 기인한 것보다 더 강하고 장거리 작용하는 힘이 발생함을 입증한다.

ABSTRACT

We present a mechanism for a generic and powerful force of assembly and mobility for transmembrane proteins in lipid bilayers. This force is a pre-transition (or pre-melting) effect for the first-order transition between ordered and disordered phases in the host membrane. Using large scale molecular simulation, we show that a protein with hydrophobic thickness equal to that of the disordered phase embedded in an ordered bilayer stabilizes a microscopic order-disorder interface, and the stiffness of that interface is finite. When two such proteins approach each other, they assemble because assembly reduces the net interfacial free energy. In analogy with the hydrophobic effect, we refer to this phenomenon as the effect. The effect is mediated by proximity to the order-disorder phase transition and the size and hydrophobic mismatch of the protein. The strength and range of forces arising from the orderphobic effect are significantly larger than those that could arise from membrane elasticity for the membranes we examine.

연구 동기 및 목표

• 지질 이중층 내 전막 단백질 조립을 이끄는 일반적이고 물리적인 메커니즘을 규명하는 것.
• 질서-비질서 상전이에 가까이 있을 때 막 내 단백질 간 상호작용이 어떻게 영향을 받는지 조사하는 것.
• 수소화 불일치로 인한 표면 자유 에너지 최소화가 단백질 이동성과 조립에 기여하는 상당한 힘을 생성할 수 있는지 확인하는 것.
• 막 탄성에 기인한 힘과 비교하여 이 힘의 크기와 영향 범위를 분석하는 것.

제안 방법

• 질서-비질서 상전이 근처의 지질 이중층에 대한 대규모 분자 동역학 시뮬레이션.
• 전막 단백질의 수소화 두께를 정질 상과 비정질 상에 비해 체계적으로 변화시킴.
• 정질 막 내 단백질이 형성한 질서-비질서 인터페이스에서의 표면 자유 에너지를 정량화함.
• 단백질 간 접근에 따른 표면 자유 에너지 변화를 측정하여 단백질 상호작용 에너네틱스 분석.
• 질서 혐오 효과에 기인한 힘과 막 탄성에 기인한 힘의 크기와 영향 범위를 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질서-비질서 상전이 근처의 지질 이중층 내 전막 단백질 조립을 이끄는 물리적 힘은 무엇인가?
• RQ2 단백질과 둘러싸인 막 사이의 수소화 불일치가 표면 자유 에너지와 단백질 상호작용에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 질서 혐오 효과의 상대적 강도와 영향 범위는 막 탄성에 기인한 힘과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 유한한 강성의 질서-비질서 인터페이스 형성이 단백질 간 상호작용을 매개할 수 있는가?

주요 결과

• 질서 혐오 효과는 수소화 두께가 비정질 상과 일치하는 단백질이 정질 이중층에 통합될 때 발생하며, 이로 인해 미세한 질서-비질서 인터페이스가 안정화됨.
• 형성된 표면 자유 에너지 최소화를 통해 유한한 강성을 지닌 인터페이스 영역이 단백질 간 상호작용을 매개할 수 있음.
• 단백질 조립이 표면 자유 에너지를 감소시켜 상호작용을 유도하는 열역학적으로 유리한 추진력이 제공됨.
• 질서 혐오 효과에 의해 발생하는 힘은 시뮬레이션 시스템에서 막 탄성에 기인한 힘보다 현저히 강하고 장거리 작용함.