Channel regulating mechanisms of lipid bilayers via chemical-physical transduction
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20H00497
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 48:Biomedical structure and function and related fields
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| Research Institution | University of Fukui |
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Principal Investigator |
老木 成稔 福井大学, 高エネルギー医学研究センター, 特命教授 (10185176)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
清水 貴浩 富山大学, 学術研究部薬学・和漢系, 准教授 (40353437)
岩本 真幸 福井大学, 学術研究院医学系部門, 教授 (40452122)
松森 信明 九州大学, 理学研究院, 教授 (50314357)
許 岩 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (90593898)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2021)
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| Budget Amount *help |
¥45,240,000 (Direct Cost: ¥34,800,000、Indirect Cost: ¥10,440,000)
Fiscal Year 2022: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,930,000 (Direct Cost: ¥6,100,000、Indirect Cost: ¥1,830,000)
Fiscal Year 2020: ¥13,520,000 (Direct Cost: ¥10,400,000、Indirect Cost: ¥3,120,000)
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| Keywords | 脂質2重膜 / イオンチャネル / 膜物性 / 膜張力 / 接触バブル2重膜法 / コレステロール / 膜双極子電位 |
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| Outline of Research at the Start |
生体膜は細胞にとって運動・エネルギー変換・情報伝達など様々な機能を担っており、その中心的な役割は膜蛋白質だけではなく脂質2重膜も担っている。細胞膜の複雑さを回避し、自由に化学的・物理的変化を起こし、それを正確に測定できる脂質2重膜での実験を行うことが本研究の目的である。脂質2重膜は外力だけでなく、その化学組成が変化することで張力や膜内電位が変化するのでこれを捉える方法を開発中である。これらの方法を確立することにより脂質2重膜の化学－物理変換機構を明らかにする。そしてこの変化に直接影響を受けるチャネルの機能を一分子測定することで脂質2重膜－チャネル相互作用の新しい機構を解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
脂質2重膜はチャネルにどのように働きかけてその機能を制御しているのか。これが本研究の問いである。脂質2重膜はチャネルなどを載せる単なる受動的な容器ではなく、もっと能動的にチャネルに働きかけていることが分かってきた。この機構を解明することが本研究の目的であり、このことにより生体膜の複雑な機能の理解が深まる。脂質2重膜の内部では膜張力や膜内電場などの物理特性が変化し、チャネルに働きかけている。そしてそれらの物理特性は、脂質組成の変動や膜に溶け込む小分子（リガンドや薬物）によっても変化することが明らかになってきた。すなわち脂質2重膜は、リガンドや薬物が膜に入り込み化学組成変化が起これば、内部の物理特性を変化させ（化学－物理変換）、それをチャネルに作用させる、一種の「化学－物理変換体」である。
この機構を解明するために生体膜を解体し、脂質2重膜にチャネルを組み込んだ系（再構成チャネル膜）で実験を行うことが本研究の戦略である。研究代表者らが世界に先駆けて開発した再構成チャネル膜法によって様々な実験が可能になり、「脂質2重膜の化学-物理変換という普遍的な機構とチャネルへの作用」を解明する。特に膜張力は様々な生理的環境の中で変化し、その変化が直接チャネルに作用するので、膜張力をダイナミックに測定することが不可欠である。これにより従来、静的・半定量的であった実験の精度を上げ、より詳細なチャネルー膜相互作用について検討する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
従来、膜張力を測定するには数ステップの実験とオフラインでの画像処理が不可欠であった。したがって張力に対するチャネルの応答も数秒オーダーの変化しかとらえることができなかった。今回方法上の２つのブレークスルーがあった。１）画像処理を高速化することでリアルタイムでバブルの幾何情報を得られるようになったこと、２）膜張力の測定原理を見直し、バブル圧の測定で張力を計算できるようにしたこと、である。バブル圧はわずか100 Pa（< 1 mmHg）程度であり、測定されたことはなかったが、高精度の圧測定器と様々な工夫により可能となった。これにより膜張力の変化を毎秒測定すると同時に単一チャネル電流との対応をつけることができるようになった。
この方法をKcsAカリウムチャネルの張力感受性（Iwamoto & Oiki, PNAS, 2018）を明らかにするために適用した。そして予想もしていなかったチャネルの膜張力に対するダイナミックな応答を捉えることができた。KcsAカリウムチャネルは膜張力増大時と減少時に異なる応答性をとる（ヒステレシス）ことを初めて明らかにした。膜張力に対する応答性にヒステレシスが発見されたのはこれが初めてである（Iwamoto & Oiki, JACS Au, 2021）。その理由の一つが従来の半定量的な測定を改善し、極めて精度が高く、応答性の速い実験系を確立したことにある。
一方、膜の化学組成に対するKcsAチャネルの応答も新しい結果を得ることができた。接触バブル２重膜法ではリーフレット毎にリン脂質組成を変えることができるのでこれを利用し、あるリン脂質の効果が明快なリーフレット依存性があることを初めて実験で証明することができた。
共同研究者の実験系も成果が出始めている。ネット会議を重ね、分担者との議論を通して実験を効率よく進めることができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
接触バブル2重膜法をさらに改良するアイデアが得られ、この方法を確立することが本年度の予定である。この方法により膜張力測定の精度が上がるだけでなく、より安定した長時間記録が可能になる。膜特性の他の物理特性も明らかにすることができる。
実験と対応させる計算機シミュレーションも進行中であり、詳細な解析につなげることができる。
アクアポリンについては水透過性測定法を確立することができ（Yano et al. J. Memb. Sci., 2021）、これをアクアポリンに適用する。同時にストップトフロー装置が稼働を始めているので、これらの方法を総合することでアクアポリン再構成系の実験を確立したい。
KcsAチャネル以外のものも実験系を確立しつつあり、膜組成の異なる条件などで実験を進めたい。
ネット会議では実験の詳細を伝えられないこともあり、コロナ明けには全体会議を開催し、実験施設を前にして議論を交わしたい。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
