Measuring molecular properties of membrane proteins using a synthetic cell micro-environment conposed of a model cell membrane and a nanometric space

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H03225
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 43040:Biophysics-related
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: Morigaki Kenichi 神戸大学, バイオシグナル総合研究センター, 准教授 (10358179)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 林 文夫 神戸大学, 理学研究科, 名誉教授 (80093524) ; 鈴木 健一 岐阜大学, 糖鎖生命コア研究所, 教授 (50423059) ; 笠井 倫志 岐阜大学, 糖鎖生命コア研究所, 特任准教授 (20447949)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 生体膜 / 膜タンパク質 / 1分子計測

Outline of Final Research Achievements

Model biological membranes are useful tools to study the functions of membrane proteins. We have developed a model biological membrane comprising a patterned lipid bilayer and a nanometric aqueous space. In the present study, we developed a strategy to reconstitute mammalian membrane proteins into the model membrane in a nanometric gap structure using blebs and exosomes obtained from mammalian cells. We observed that blebs and exosomes ruptured and formed a continuous two-dimensional membrane in the nanometric cleft between the substrate and a PDMS elastomer. We also established a methodology to observe reconstituted membrane proteins in a nanometric gap structure with a vastly enhanced signal-to-noise ratio. These unique set of technologies should enable to evaluate the physicochemical properties and functions for a wide range of mammalian membrane proteins, contributing to a broad range of biophysical studies and biomedical applications.

Free Research Field

生体膜の生物物理学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

膜タンパク質は、細胞内においてシグナル伝達など重要な機能を担い、疾患などにも深く関与しているため、医薬品の重要な標的になっている。膜タンパク質の機能は脂質膜の組成や分布にも影響を受けていると考えらてるが、生体膜内における機能制御機構を生きた細胞を用いて詳細に検証することは非常に困難である。本研究により、細胞由来の膜小胞をパターン化人工膜に組み込んで、膜タンパク質の物性や機能をナノ空間で精密に計測することが可能になった。この成果は、膜タンパク質の機能を分子レベルで定量的に評価することを可能にし、疾患メカニズムの解明、医薬品開発にも貢献できるものと考えられる。