[論文レビュー] 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 Hishida+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2006

Lipid Membrane Structure and Behavior被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、圧力またはエタノール添加によって誘発される、DPPC二重膜における液体結晶相とインターディケートドゲル相の間の新規なふっくう相を同定した。小角中性子回折および中性子スピンエコーを用いた解析により、このふっくう相は水層の厚さが増加しているが、膜は剛直であることが示され、異常なふっくうとは異なり、圧力またはエタノール暴露下でのインターディケートド相形成の前身段階として機能すると考究される。

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.

研究の動機と目的

• 圧力とエタノール濃度の併用に対するDPPCリン脂質二重膜の構造的・機械的応答を調査すること。
• エタノールと圧力がDPPC膜に同じ構造的転移を誘発するかどうかを特定すること。
• 液体結晶相とインターディケートドゲル相の間で新たに観察されたふっくう相の特徴を明らかにすること。
• 中性子スピンエコー分光法を用いて、ふっくう相における脂質二重膜の曲げ剛性を測定すること。
• 他の相と比較した分子間力の観点から、ふっくう相の起源を明確にすること。

提案手法

• 小角中性子回折（SANS）を用いて、DPPC多層膜小胞における平均繰り返し距離および電子密度プロファイルの温度・圧力・エタノール濃度依存性を測定した。
• 脂質二重膜の動的曲げ剛性を、異なる温度および相状態で測定するために中性子スピンエコー（NSE）分光法を用いた。
• NSEデータから曲げ剛性κを、A = (κQ²)/4 の関係式を用いて計算した。ここでAは中間散乱関数から得られる拡散係数である。
• SANSデータを解析して、相転移領域における平均繰り返し距離および二重膜厚さを抽出した。
• 実験は、エタノール濃度（0.00–1.21 M）、圧力（最大100 MPa）、温度（36.0–56.0 °C）の範囲で実施した。
• van der Waals力、水和力、熱的フラクチュエーション力に基づく理論的モデルを用いて、ふっくう相の起源を議論した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エタノールはDPPC二重膜において圧力と同一の構造的転移を誘発するか？
• RQ2 液体結晶相とインターディケートドゲル相の間で新たに観察されたふっくう相の性質は何か？
• RQ3 ふっくう相における脂質二重膜の曲げ剛性は、液体結晶相およびゲル相と比べてどのように異なるか？
• RQ4 このふっくう相は、以前に報告された異常なふっくうと機序的に類似しているか？
• RQ5 van der Waals力や水和力の変化がないにもかかわらず、どのような分子間力がふっくう相を安定化させると考えられるか？

主な発見

• 圧力またはエタノール添加条件下で、液体結晶相（Lα）とインターディケートドゲル相（LβI）の間の新規なふっくう相（Ls）が観察された。
• ふっくう相では、他の相と比較して水層の厚さが顕著に増加しているが、二重膜厚さはゲル相と類似している。
• ふっくう相における曲げ剛性（κ = 1.6 × 10⁻¹⁸ J、36.0 °C）は、液体結晶相（κ = 1.9 × 10⁻¹⁹ J、41.0 °C）よりも高いことが示され、膜の剛直性が向上していることを示している。
• ふっくう相における曲げ剛性は、ゲル相（κ = 2.1 × 10⁻¹⁷ J、38.5 °C）と同等であり、異常なふっくうで見られる軟化とは対照的である。
• ふっくう相は、van der Waals力や水和力の変化によって安定化されていないため、未知の安定化機構が関与していると示唆される。
• エタノールと圧力の両方が、ゲル相からインターディケートド相への転移圧を低下させることから、インターディケートの誘発に共通のメカニズムが関与していることが示された。