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2012 Fiscal Year Annual Research Report

細胞外基質と接する脂質二分子膜の界面構造と機能性発現との関係解明

Research Project

Project/Area Number 23350058
Research InstitutionHokkaido University

Principal Investigator

叶 深  北海道大学, 触媒化学研究センター, 准教授 (40250419)

Project Period (FY) 2011-04-01 – 2014-03-31
Keywords細胞膜 / 細胞外基質 / 非線形分光 / 機能性材料 / 界面分子構造
Research Abstract

本研究では,界面分子構造に敏感な二次非線形振動分光法の和周波発生(SFG)や原子間力顕微鏡(AFM)を用い,細胞膜の界面構造と機能性発現との関連性について解明することを目的とする.特に従来の研究に用いた基板や標識色素による影響をなくすため,細胞の接着・増殖・組織化等において重要とされる細胞外基質(ECM)の表面に脂質二分子膜を構築し,その構造や配向,安定性を明らかにするとともに,酵素等の生体分子との反応に伴う細胞膜の構造変化及び反応機構を調べる.これらの研究成果に基づき,ECM 表面に接着される活細胞の細胞膜の界面構造を調べ,細胞の機能性との関係解明を目指す.PDDA 等のカチオン性高分子電解質材料とPSS などのアニオン高分子電解質材料を,固体基板表面に交互に析出させ,基板表面を修飾する.高分子電解質水溶液の濃度や支持塩濃度,浸漬時間,乾燥時間などの作成条件を最適化し,安定な薄膜形成を試みた.SFGとAFM測定でこれらの高分子電解質薄膜表面の分子構造を評価した.この他に,共同研究者から細胞接着特性に優れた合成機能性高分子材料の提供も受け,ECMとして活用する可能性について検討始めている.このように修飾された界面に脂質二分子膜を構築し,膜の界面構造と分子配向に加え,その安定性についても調べた.特にリン脂質分子のフリップ・フロップ速度や加水分解酵素PLA2の触媒反応速度への影響についても検討した.さらに,疏水鎖に不飽和官能基をもつ脂質分子の単一また混合二分子膜を構築し,その膜の界面構造についても調べ.空気中での安定性を影響する因子について詳しく検討した.

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では,細胞培養により近い環境下で,細胞の接着・増殖・組織化等において重要とされる細胞外基質(ECM)の表面に脂質二分子膜を構築し,その構造や配向,安定性を明らかにするとともに,酵素等の生体分子との反応に伴う細胞膜の構造変化及び反応機構を調べ,細胞膜の界面構造と機能性との関係解明を目指す.
ECM膜の構築につきまして,(1)高分子電解質材料による積層法.PDDA 等のカチオン性高分子電解質材料とPSS などのアニオン高分子電解質を一層ずつ積層(Layer-by-Layer, LbL法)することで,固体基板の修飾を試みた.(2)種々のシクロデキストリンを含むポリロタキサン型のブロック共重合高分子材料の提供を共同研究者から受け,固体基板表面の機能性の向上を試みた.(3)様々な末端官能基をもつ自己組織化単分子膜(SAM)による修飾方法.様々な条件の検討を通じて,これらの手法で安定な膜形成が実現されており,固体基板の固有の性質を抑えると同時に,ユニークな膜の機能性が現れていたので, ECMに模倣できる構造ができており,概ねに順調に進展していると判断する.
ECM表面の構造評価について,SFGやAFM分光法により積極的に行い,膜表面固有の構造の形成と機能性発現が確認できており,様々な目的に応じての応用が期待できた.モデル細胞膜として,飽和リン脂質分子であるDPPCやDPPE,不飽和リン脂質分子DOPCなどを用い,ベシクフュージョン法やフュジュンLB 法により二分子膜を構築し,膜の界面構造と分子構造と安定性について詳細に調べた.二分子膜のフリップ・フロップ速度,酵素との触媒反応速度,さらに不飽和結合の影響について詳しく検討したため,概ね順調に進展していると判断する.

Strategy for Future Research Activity

界面分子の絶対配向について決定に活用できる位相敏感和周波発生システムを構築し,より詳細にモデルECM膜界面の分子構造について解明する.高分子電解質膜界面の分子構造を解明する.特に交互に析出した高分子電解質膜界面の水分子の構造や時間変化についてさらに追跡していく予定.また,素晴らしいタンパク質の吸着特性を示すメチルしたα-シクロデキストリン(α-CD)を含むポリロタキサン型のブロック共重合高分子材料の界面構造について詳しく検討し,コントロール材料を比較し,二分子膜の構築条件やタンパク質の吸着挙動について,界面分子構造の視点による議論を試みる.ECM構築と脂質二分子膜構造の関係に関する理解を深める.
このようにECM表面に形成した脂質二分子膜を,血清を含む種々の細胞培養培地に入れて,その構造変化についてその場で調べる.特に血清に含まれる細胞成長因子や金属結合タンパク質などの生理活性物質の吸着,または吸着に伴う二分子膜の構造変化について,SFG分光法によって測定し,血清の主要成分と脂質二分子膜との相互作用について評価する.無血清培地を用い,既知の細胞成長因子または分化促進因子,毒化物質などを意識的に選んで培地に入れ,脂質二分子膜との相互作用について詳細に検討する.また,血清に含まれる細胞成長因子や金属結合タンパク質との相互作用に伴う脂質分子のキラリティ-の変化について,SFG分光法により追跡する.

  • Research Products

    (15 results)

All 2013 2012

All Journal Article (7 results) (of which Peer Reviewed: 7 results) Presentation (8 results) (of which Invited: 4 results)

  • [Journal Article] Structure and Lateral Interaction in Mixed Monolayers of Dioctadecyldimethyl Ammonium Chloride (DOAC) and Stearyl Alcohol2013

    • Author(s)
      Ge, A.; Wu, H.; Darwish, T.; James, M.; Osawa, M.; Ye, S.
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 29 Pages: 5407-5417

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Role of Adsorption Structures of Zn-Porphyrin on TiO2 in Dye-Sensitized Solar Cells Studied by Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy and Ultrafast Spectroscopy2013

    • Author(s)
      Ye, S. ; Kathiravan, A.; Hayashi, H.; Tong, Y.; Infahsaeng, Y.; Chabera, P.; Pascher, T.; Yartsev, A.; Isoda, S.; Imahori, H.; Sundström, V
    • Journal Title

      J. Phys. Chem. C

      Volume: 117 Pages: 6066-6080

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Preferential Adsorption of Solvents on Cathode Surface of Li-ion Batteries2013

    • Author(s)
      Yu, L.; Liu, H.; Wang, Y.; Kuwata, N.; Osawa, M.; Kawamura, J.; Ye, S.
    • Journal Title

      Angew. Chem. Int. Ed.

      Volume: 52 Pages: 5753-5756

    • DOI

      10.1002/anie.201209976

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Enzyme-Catalyzed Hydrolysis of the Phospholipid Bilayers Studied by Atomic Force Microscopy.2013

    • Author(s)
      Wu, H.
    • Journal Title

      Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes,

      Volume: 1828 Pages: 642-651

    • DOI

      10.1016/j.bbamem.2012.09.010

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Probing the Effect of the Solution Environment around Redox-Active Moieties Using Rigid Anthraquinone Terminated Molecular Rulers.2012

    • Author(s)
      Darwish, N.
    • Journal Title

      J. Am. Chem. Soc.

      Volume: 134 Pages: 18401-18409

    • DOI

      10.1021/ja307665k

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Characterizing the Photoinduced Switching Process of Nitrospiropyran Self-Assembled Monolayer Using In Situ Sum Frequency Generation Spectroscopy.2012

    • Author(s)
      Darwish, T.
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 28 Pages: 13852-13860.

    • DOI

      10.1021/la302204f

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Structure of Adsorbed Molecular Layer on Fused Quartz Surface Determined Sequentially in Sodium Stearate Solution, Dry Ar, Pure Water, and Dry Ar by Sum Frequency Generation Spectroscopy.2012

    • Author(s)
      Zhang, Y.
    • Journal Title

      Surf. Sci.

      Volume: 602 Pages: 92-96

    • DOI

      10.1016/j.susc.2012.08.017

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Enzyme Catalyzed Hydrolysis of the Supported Lipid Bilayers Probed by Sum Frequency Generation (SFG) and Atomic Force Microscopy (AFM)2013

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      CRC International Symposium on New Challenges on the Bio-interface
    • Place of Presentation
      北海道大学(札幌市)
    • Year and Date
      20130205-20130206
    • Invited
  • [Presentation] Phospholipase A2 (PLA2) Enzyme Catalyzed Hydrolysis of the Supported Lipid Bilayers Probed by SFG and AFM2013

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      Japanese-German Workshop, “Structure and Control of Interfaces”
    • Place of Presentation
      Magnus-Haus(Germany)
    • Year and Date
      20130108-20130110
  • [Presentation] "Enzyme-catalyzed Hydrolysis of Supported Lipid Bilayer Investigated by Atomic Force Microscopy (AFM)"2012

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      3rd Kanazawa BioAFM Workshop
    • Place of Presentation
      金沢KKRホテル(金沢市)
    • Year and Date
      20121105-20121108
  • [Presentation] Molecular Study on the Lipid Membrane Surface Probed by Sum Frequency Generation (SFG)2012

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      Vibrations at Surfaces 14
    • Place of Presentation
      ニチイ学館神戸ポートアイランドセンター(神戸市)
    • Year and Date
      20120924-20120928
    • Invited
  • [Presentation] Enzyme Reaction on Phospholipid Bilayers Probed by Sum Frequency Generation (SFG) and Atomic Force Microscope (AFM)2012

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      CRC-FHI Joint Meeting“Complex Surfaces in Material Science”
    • Place of Presentation
      FHI研究所(ドイツ)
    • Year and Date
      20120919-20120921
  • [Presentation] Solvent Adsorption on the LiCoO2 Electrode Surface Probed by Nonlinear Vibrational Spectroscopy2012

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      Spectroelectrochemistry 2012
    • Place of Presentation
      DORMERO Hotel Knigshof Dresden (Germany)
    • Year and Date
      20120826-20120829
    • Invited
  • [Presentation] in situ AFM and SFG Studies on the Hydrolysis Reaction of Supported Lipid Bilayer Catalyzed by Phospholipase A22012

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      244th ACS, "Structure, Dynamics, and Reactivity at Charged Interfaces" Symposium
    • Place of Presentation
      Philadelphia Conference Center (USA)
    • Year and Date
      20120819-20120823
    • Invited
  • [Presentation] Hydrolysis of Lipid Bilayer Catalyzed by PLA2 Enzyme ─ in situ SFG and AFM Studies ─2012

    • Author(s)
      Ye, S.
    • Organizer
      IACIS 2012
    • Place of Presentation
      仙台国際センター(仙台市)
    • Year and Date
      20120513-20120518

URL: 

Published: 2014-07-24  

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