非対称ベシクルの相分離形成と側方圧誘起構造転移

• Project Area: Creation of non-equilibrium soft matter physics: Structure and dynamics of mesoscopic systems
• Project/Area Number: 21015008
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research on Priority Areas
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Science and Engineering
• Research Institution: Japan Advanced Institute of Science and Technology
• Principal Investigator: 濱田 勉 北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 助教 (40432140)
• Project Period (FY): 2009 – 2010
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2010)
• Budget Amount: ¥6,600,000 (Direct Cost: ¥6,600,000); Fiscal Year 2010: ¥2,700,000 (Direct Cost: ¥2,700,000); Fiscal Year 2009: ¥3,900,000 (Direct Cost: ¥3,900,000)
• Keywords: リポソーム / ベシクル / 相分離 / 生体膜 / アゾベンゼン

Research Abstract

本研究課題では、多成分脂質膜ベシクルの側方圧誘起構造転移を明らかにすることを目的とした。浸透圧やマイクロキャピラリーにより膜張力をコントロールし、相分離形成の側方圧依存性を明らかにした。さらに、アゾベンゼン脂質を含有する光応答性ベシクルをデザインし、側方圧に関わる膜物性パラメータを光制御することで、ベシクル構造(膜の開閉、相分離)の可逆的コントロールに成功した。
(1.側方圧が誘起するベシクル相分離)脂質膜の相分離に関しては、過去に温度・組成比をパラメータとする相図が調べられてきた。本研究では、相分離構造の制御パラメータとして、二次元膜面内の側方圧(膜張力)に着目した。生体内では、細胞骨格等により膜張力が調節されており、等温系で生きる細胞にとって張力は重要な構造制御因子である。不飽和脂質Dioleoyl phosphatidylcholine(DOPC)、飽和脂質dipalmitoyl phosphatidylcholine(DPPC)、コレステロールの三成分からベシクルを作成し、小胞内部からの浸透圧およびマイクロキャピラリー吸引により膜張力をコントロールした。種々の温度環境下において、膜張力を変化させた際の相分離構造を蛍光顕微鏡により観察した。膜張力印加により相分離が誘起されることを明らかにし、温度-膜張力をパラメータとする新たな相図を構築した。
(2.ベシクル構造の可逆的コントロール)等温系で生きる細胞は、シグナル分子の吸着等による膜構成分子変化により組織化膜構造を制御している。そこで、リン脂質に光応答性アゾベンゼン脂質を混合し、光異性化によるシンプルな膜分子変化をベシクルに導入した。ベシクル小胞開閉の制御、および膜面上における相分離構造の生成・消滅の制御に成功した。膜挙動の解析から、光異性化反応に伴う膜物性変化を見積もり、自由エネルギーにより物理メカニズムを定量的に説明した。

Research Products

• [Journal Article] Photochemical control of membrane raft organization (2011)
  • Author(s): Tsutomu Hamada, Ryoko Sugimoto, Takeshi Nagasaki, Masahiro Takagi
  • Journal Title: Soft Matter Volume: 7 Pages: 220-224
  • NAID: 120003338944
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Possible Mechanism of Cholesteryl Glucoside Formation Involved in Heat Shock Response in the Animal Cell Membrane (2011)
  • Author(s): Hisako Akiyama, Tsutomu Hamada, Yasuko Nagatsuka, Susumu kobayashi, Yoshio Hirabayashi, Kimiko Murakami-Murofushi
  • Journal Title: Cytologia Volume: 76 Pages: 19-25
  • NAID: 10027948439
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Mimicking Multipass Transmembrane Proteins : Synthesis, Assembly and Folding of Alternating Amphiphilic Multiblock Molecules in Liposomal Membranes (2011)
  • Author(s): Takahiro Muraoka, Tatsuya Shima, Tsutomu Hamada, Masamune Morita, Masahiro Takagi, Kazushi Kinbara
  • Journal Title: Chem.Comm. Volume: 47 Pages: 194-196
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Membrane disc and sphere : controllable mesoscopic structures for the capture and release of a targeted object (2010)
  • Author(s): Tsutomu Hamada, Ryoko Sugimoto, Mun'delanji Vestergaard, Takeshi Nagasaki, Masahiro Takagi
  • Journal Title: J.Am.Chem.Soc. Volume: 132 Pages: 10528-10532
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic response of a cholesterol-containing model membrane to oxidetive stress (2010)
  • Author(s): Tsuyoshi Yoda, Mun'delanji C.Vestergaard, Yoko Akazawa-Ogawa, Yasukazu Yoshida, Tsutomu Hamada, Masahiro Takagi
  • Journal Title: Chem.Lett. Volume: 39 Pages: 1273-1274
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Real-time observation of model-membrane dynamics induced by Alzheimer's amyloid beta (2010)
  • Author(s): Masamune Morita, Mun'delanji Vestergaard, Tsutomu Hamada, Masahiro Takagi
  • Journal Title: Biophysical Chemistry 147 Pages: 81-86
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Biomimetic microdroplet membrane interface : detection of the lateral localization of amyloid beta peptides (2010)
  • Author(s): Tsutomu Hamada, Masamune Morita, Yuko Kishimoto, Yuuki Ko matsu, Mun'delanji Vestergaard, Masahiro Takagi
  • Journal Title: J.Phys.Chem.Lett. 1 Pages: 170-173
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cholesterol, Lipids, Amyloid Beta, and Alzheimer's (2010)
  • Author(s): Mun'delanji Vestergaard, Tsutomu Hamada, Masamune Morita, Masahiro Takagi
  • Journal Title: Current Alzheimer Research 7 Pages: 262-270
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Rhythmic pore dynamics in a shrinking lipid vesicle (2009)
  • Author(s): Tsutomu Hamada, Yuichi Hiraba yashi, Takao Ohta, Masahiro Takagi
  • Journal Title: Physical Review E 80 Pages: 51921-51921
  • NAID: 120002260320
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Dynamic behaviors of giant liposomes in desired osmotic pressures (2009)
  • Author(s): Masae Ohno, Tsutomu Hamada, Kingo Takiguchi, Michio Homma
  • Journal Title: Langmuir 25 Pages: 11680-11685
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 酸化コレステロール含有巨大リポソームの熱応答ダイナミクス (2011)
  • Author(s): 依田毅、VESTERGAARD Mun'delanji C.、濱田勉、赤澤(小川)陽子、吉田康一、高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会 第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大学横浜キャンパス
  • Year and Date: 2011-03-29
• [Presentation] 細胞膜ラフトドメインの動的構造変化と細胞内信号伝達の関係性 (2011)
  • Author(s): 上田琴美、遠藤智史、山口健太朗、白京玉、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会 第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大学横浜キャンパス
  • Year and Date: 2011-03-29
• [Presentation] 細胞サイズリポソームとナノ粒子の相互作用解析 (2011)
  • Author(s): 宮川真紀代、森田雅宗、杉本涼子、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会 第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大学横浜キャンパス
  • Year and Date: 2011-03-29
• [Presentation] 生体模倣膜を用いたアミロイドβペプチドの膜局在・膜挙動観察 (2011)
  • Author(s): 天童裕衣子、濱田勉、森田雅宗、岸本裕子、小松祐規、Mun'delanji Vestergaard, 高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会 第91春季年会
  • Place of Presentation: 神奈川大学横浜キャンパス
  • Year and Date: 2011-03-29
• [Presentation] 膜分子形状スイッチによるベシクル構造転移 (2011)
  • Author(s): 濱田勉、杉本涼子、高木昌宏
  • Organizer: 日本物理学会・第66回年次大会
  • Place of Presentation: 新潟大学
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] アミロイドβペプチドによるベシクルダイナミクス (2011)
  • Author(s): 森田雅宗、Mun'delanji Vestergaard、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 日本物理学会・第66回年次大会
  • Place of Presentation: 新潟大学
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] 荷電ベシクルの構造安定性 (2011)
  • Author(s): 姫野泰輝、網野雅人、杉本涼子、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 日本物理学会・第66回年次大会
  • Place of Presentation: 新潟大学
  • Year and Date: 2011-03-25
• [Presentation] 脂質ベシクルの動的構造制御 (2011)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 特定領域「ソフトマター物理」領域研究会
  • Place of Presentation: 東大
  • Year and Date: 2011-01-06
• [Presentation] 制御可能な細胞モデル空間の構築 (2010)
  • Author(s): 濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 特定領域「バイオ操作」公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 東大
  • Year and Date: 2010-12-13
• [Presentation] 酸化コレステロール含有細胞モデル膜の熱応答ダイナミクス (2010)
  • Author(s): 依田毅:VESTERGAARD Mun'delanji., 濱田勉, 赤澤(小川)陽子, 吉田康一, 高木昌宏
  • Organizer: 平成22年度日本化学会北陸地区講演会・研究発会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2010-11-19
• [Presentation] 細胞膜ラフトドメインの動的構造変化と信号伝達の関係性の解明 (2010)
  • Author(s): 上田琴美、山口健太朗、白京玉、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 平成22年度日本化学会北陸地区講演会・研究発会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2010-11-19
• [Presentation] 細胞模倣膜を用いたアミロイドβペプチドの膜局在解析 (2010)
  • Author(s): 天童裕衣子、濱田勉、森田雅宗、岸本裕子、小松佑規、Vestergaard Mun'delanji、高木昌宏
  • Organizer: 平成22年度日本化学会北陸地区講演会・研究発会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2010-11-19
• [Presentation] 界面活性剤が引き起こす膜ダイナミクス解析 (2010)
  • Author(s): 萩原秀幸、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 平成22年度日本化学会北陸地区講演会・研究発会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2010-11-19
• [Presentation] 細胞モデル膜小胞におけるナノ粒子の膜局在検出 (2010)
  • Author(s): 宮川真紀代、森田雅宗、杉本涼子、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 平成22年度日本化学会北陸地区講演会・研究発会
  • Place of Presentation: 富山大学
  • Year and Date: 2010-11-19
• [Presentation] 酸化コレステロール含有膜小胞の熱応答ダイナミクス(Thereto-responsive dynamics of giant liposomes containing oxidized cholesterols.) (2010)
  • Author(s): 依田毅:VESTERGAARD Mun'delanji C., 濱田勉, 小川陽子, 吉田康一, 高木昌宏
  • Organizer: ICORP時空間秩序研究:その新地平と将来展望
  • Place of Presentation: 京都大学理学研究科セミナーハウス
  • Year and Date: 2010-11-12
• [Presentation] 細胞モデル小胞の光による動的構造制御 (2010)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: 「細胞を創る」研究会3.0
  • Place of Presentation: 東大生産研(招待講演)
  • Year and Date: 2010-11-12
• [Presentation] 膜構成脂質の変化と細胞ラフトドメインの集積 (2010)
  • Author(s): 山口健太朗、上田琴美、白京玉、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 日本生物工学会、第62回大会
  • Place of Presentation: 宮崎シーガイア
  • Year and Date: 2010-10-29
• [Presentation] 細胞サイズリポソームを用いたナノ粒子の膜局在解析 (2010)
  • Author(s): 宮川真紀代、森田雅宗、杉本涼子、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 第4回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-26
• [Presentation] モデル膜動的構造解析による界面活性剤毒性評価(Membrane dynamics of giant vesicles induced by surfactants) (2010)
  • Author(s): 萩原秀幸、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 第4回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-26
• [Presentation] 脂質膜挙動によるアミロイドβの毒性解析 (2010)
  • Author(s): 森田雅宗、Mun'delanji Vestergaard、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 第4回バイオ関連化学シンポジウム
  • Place of Presentation: 大阪大学 豊中キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-25
• [Presentation] Reversible photocontrol of membrane vesicle structures (2010)
  • Author(s): 濱田勉、杉本涼子、石井健一、長崎健、高木昌宏
  • Organizer: 第48回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 東北大学川内キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] 酸化コレステロール含有膜小胞の熱応答ダイナミクス(Thermo-responsive dynamics of liposomes containing oxidized cholesterols.) (2010)
  • Author(s): 依田毅:VESTERGAARD Mun'delanji C., 濱田勉, 小川陽子, 吉田康一, 高木昌宏
  • Organizer: 日本生物物理学会 48会年回
  • Place of Presentation: 東北大学川内キャンパス
  • Year and Date: 2010-09-20
• [Presentation] Reversible photo-switching in fluid vesicles : morphology, topology, and lateral domains (2010)
  • Author(s): T.Hamada, R.Sugimoto, K.Ishii T.Nagasaki, M.Takagi
  • Organizer: The ISSP International Workshop on Soft Matter Physics
  • Place of Presentation: 東大物性研
  • Year and Date: 2010-08-24
• [Presentation] Oscillatory pore motion of fluid vesicles (2010)
  • Author(s): T.Hamada, Y.Hirabayashi, T.Ohta, M.Takagi
  • Organizer: International Symposium on Non-Equilibrium Soft Matter 2010
  • Place of Presentation: 奈良県新公会堂
  • Year and Date: 2010-08-18
• [Presentation] 細胞モデル膜小胞におけるアミロイドβペプチドの膜局在検出 (2010)
  • Author(s): 森田雅宗、濱田勉、岸本裕子、小松佑規、Mun'delanji Vestergarrd、高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会第90春季年会
  • Place of Presentation: 近畿大学東大阪キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-27
• [Presentation] 3TA3-06酸化ストレスによる細胞サイズリポソームの動的構造変化 (2010)
  • Author(s): 依田毅・Vestergaad Mun'delanji・濱田勉・小川陽子・吉田康一・高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会第90春季年会
  • Place of Presentation: 近畿大学東大阪キャンパス
  • Year and Date: 2010-03-27
• [Presentation] 相分離リボソームの側方圧誘起構造転移 (2010)
  • Author(s): 渡田勉、岸本祐子、高木昌宏
  • Organizer: 日本物理学会・第65回年次大会
  • Place of Presentation: 岡山大学
  • Year and Date: 2010-03-23
• [Presentation] 細胞サイズ膜小胞の構造形成と制御 (2010)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: バイオ操作・第8回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2010-03-11
• [Presentation] リボソーム膜構造の光スイッチング (2010)
  • Author(s): 渡田勉、石井健一、杉本涼子、畠山剛臣、長崎健、高木昌宏
  • Organizer: バイオ操作・第8回公開シンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2010-03-11
• [Presentation] 酸化ストレスによる細胞モデル膜小胞の動的形態変化 (2009)
  • Author(s): 依田毅, Mun'delanji Vestergaad濱田勉, 小川陽子, 吉田康一, 高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会北陸地区研究発表会
  • Place of Presentation: 北陸先端科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2009-11-28
• [Presentation] 脂質膜構造形成における静電効果 (2009)
  • Author(s): 網野雅人, 杉本涼子, 濱田勉, 高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会北陸地区研究発表会
  • Place of Presentation: 北陸先端科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2009-11-28
• [Presentation] アミロイドbペプチドによる脂質膜ダイナミクス (2009)
  • Author(s): 森田雅宗、Mun'delanji Vestergarrd、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 日本化学会北陸地区研究発表会
  • Place of Presentation: 北陸先端科学技術大学院大学
  • Year and Date: 2009-11-28
• [Presentation] ベシクル膜孔形成の振動現象 (2009)
  • Author(s): 濱田勉、平林祐一、太田隆夫、高木昌宏
  • Organizer: ソフトマター物理・第3回公關シンポジウム
  • Place of Presentation: 京都大学
  • Year and Date: 2009-11-20
• [Presentation] Photochemical control on morphologies of a cell-sized synthetic vesicle (2009)
  • Author(s): Tsutomu Hamada, Ken-ichi Ishii, Ryoko Sugimoto, Takeshi Nagasaki, Masahiro Takagi
  • Organizer: International Symposium on Micro-NanoMehatronics and Human Science (MHS2009)
  • Place of Presentation: 名古屋大学
  • Year and Date: 2009-11-10
• [Presentation] Model-membrane Morphological Transformations Induced by Different Amyloid Molecular Assemblies. (2009)
  • Author(s): 森田雅宗、Mun'delanji Vestergaard、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 2009 International Symposium on Micro-Nano Mechat ronics and Human Science
  • Place of Presentation: 名古屋大学・豊田講堂
  • Year and Date: 2009-11-10
• [Presentation] 3TA3-06酸化ストレスによる細胞サィズリポソームの動的構造変化 (2009)
  • Author(s): 依田毅・Vbstergaad Mun'delanji・濱田勉・小川陽子・吉田康一・高木昌宏
  • Organizer: 第47回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島文理大学徳島キャンパス
  • Year and Date: 2009-11-01
• [Presentation] Real-time observation of model-membrane morphological transformations Induced by different amyloid beta molecular assemblies (2009)
  • Author(s): Vestergaad Mun'delanji・森田雅宗・演田勉・高木昌宏
  • Organizer: 第47回日本生物物理学会年会
  • Place of Presentation: 徳島文理大学徳島キャンパス
  • Year and Date: 2009-10-30
• [Presentation] リン脂質ベシクルのリズム膜孔形成 (2009)
  • Author(s): 濱田勉、平林祐一、太田隆夫、高木昌宏
  • Organizer: 日本物理学会・2009年秋季大会
  • Place of Presentation: 熊本大学
  • Year and Date: 2009-09-26
• [Presentation] T細胞における脂質ラフトの動的構造変化と活性化 (2009)
  • Author(s): 山口健太郎・白京玉・杉田恵美・濱田勉・高木昌宏
  • Organizer: 生物工学会平成21年度大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-24
• [Presentation] 酸化ストレスによる細胞サイズリポソームの動的構造変化 (2009)
  • Author(s): 依田毅・Vestergaad Mun'delanjil・濱田勉・小川陽子・吉田康一・高木昌宏
  • Organizer: 生物工学会平成21年度大会
  • Place of Presentation: 名古屋大学東山キャンパス
  • Year and Date: 2009-09-23
• [Presentation] アミロイドbペプチドによって誘起される細胞モデル膜の動的形態変化 (2009)
  • Author(s): 森田雅宗、Mun'delanji Vestergaard、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 第24回生体機能関連化学・第12回バイオテクノロジーシンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学医系キャンパス・百年記念講堂
  • Year and Date: 2009-09-15
• [Presentation] 光応答性リボソームの構造制御と転移ダイナミクス (2009)
  • Author(s): 濱田勉、石井健一、杉本涼子、長崎健、高木昌宏
  • Organizer: 第24回生体機能関連化学シンポジウム,第12回バイオテクノゴジー部会シンポジウム
  • Place of Presentation: 九州大学
  • Year and Date: 2009-09-14
• [Presentation] 余剰膜面積制御によるベシクル転移ダイナミクス (2009)
  • Author(s): 濱田勉
  • Organizer: ソフトマター物理・第4回領域研究会
  • Place of Presentation: 北海道大学
  • Year and Date: 2009-07-01
• [Presentation] アミロイドβによって誘起される膜ダイナミクス (2009)
  • Author(s): 森田雅宗、Mun'delanji Vestergaard、濱田勉、高木昌宏
  • Organizer: 特定領域バイオ操作 第四回若手研究者ワークショップ
  • Place of Presentation: 新さっぽろアークシティホテル
  • Year and Date: 2009-06-12
• [Book] 月刊機能材料、特集「ソフトマター研究の最前線」脂質ベシクルの形状安定性と変形ダイナミクス (2010)
  • Author(s): 濱田勉
  • Total Pages: 6
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] シングルセル解析の最前線、第3章-3、細胞模倣非対称2分子膜リボソームの構築 (2009)
  • Author(s): 濱田勉, 小松佑規, 高木昌宏
  • Publisher: シーエムシー出版
• [Book] 生物物理、Vol.49、細胞サイズリポソームの新しい作成法とその応用 (2009)
  • Author(s): 濱田勉, 小松佑規, 高木昌宏
  • Publisher: 日本生物物理学会
• [Remarks]
  • URL: http://www.jaist.ac.jp/~t-hamada/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 光応答性リボソーム及び光応答性リボソームを利用した物質の運搬方法 (2010)
  • Inventor(s): 濱田勉、高木昌宏、長崎健
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学
  • Industrial Property Number: 2010-042688
  • Filing Date: 2010-02-26
• [Patent(Industrial Property Rights)] マイクロ液滴の作製方法 (2009)
  • Inventor(s): 濱田勉、高木昌宏、小松佑規
  • Industrial Property Rights Holder: 国立大学法人北陸先端科学技術大学院大学
  • Industrial Property Number: 2009-234643
  • Filing Date: 2009-10-08