| 研究課題/領域番号 |
16K21094
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| 研究機関 | 名古屋大学 |
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研究代表者 |
安藤 嘉倫 名古屋大学, 工学研究科, 特任准教授 (80509076)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 細胞膜 / 脂質二重層膜 / 非対称性な脂質組成 / グリセロリン脂質 / スフィンゴ脂質 / コレステロール / 膜物性 / 脂質ラフト |
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| 研究実績の概要 |
本年度は昨年度までの成果をもとに本格的な分子動力学(MD)計算を継続して行った。具体的には, 昨年度実施した実際のマウス肝臓細胞細胞膜の内単層膜と外単層膜それぞれの脂質組成を模倣した2種類の脂質二重層膜系についてのMD計算の結果をもとに, 細胞膜と同様あらわに脂質組成に非対称性を持った脂質二重層モデル膜を計算機上に構築し大規模・長時間のMD計算を行った.
生体温度条件下において熱的平衡状態に至って以降のトラジェクトリ(座標の時系列データ)に対して構造および膜流動性の両面から解析を行い, 脂質組成に非対称性を持った脂質二重層モデル膜において生じる内単層膜と外単層膜の物性の違いを原子・分子レベルから明らかにした.
構造について外単層膜は内単層膜にくらべ側方向に密にパックされた秩序高い構造であること, 膜厚について外単層膜と内単層膜とで違いがあり尾部どうしがinterdigitateしていることを明らかにした. 膜流動性について外単層膜は内単層膜にくらべ固く流動性が低いことを明らかにした.
さらに細胞膜中での側方ドメイン形成において特に注目されているコレステーロールについてそのクラスターの形成が内外2つの単層膜間で強い相関を持ちつつ生じていることを見出し, さらにその分子メカニズムを明らかにした. 現在コレステロール分子の側方集合・離散のタイムスケール,およびそのサイズ依存性についての解析を進めているところである.
さらに非対称な二重層膜2つを向かい合わせに配置した上で, 細胞内外でのイオン環境の違いをあらわに再現した大規模系についてのMD計算および解析を進めており, 膜法線方向に沿ったイオン分布, 水などの少分子の膜への透過性などを明らかにしつつある.
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究初年度において細胞膜の脂質組成について十分精査した上で, 昨年度にかけて細胞膜の外単層膜および内単層膜の脂質組成を模倣した2種類の二重層モデル膜系, および内外単層膜であらわに脂質組成に非対称性を持った二重層モデル膜について長時間の分MD計算を完了した. 自身で作成したプログラムを用いMD計算によって得られた膨大なトラジェクトリを解析することで, 内外単層膜間での物性の違いおよびその相関を明らかにするとともに, 生物学的にも注目されているコレステロール分子の膜内での側方凝集についてその詳細を明らかにした. 特に非対称モデル膜において内外単層膜間でコレステロールクラスターの生成位置に強い相関があること, およびその相関が生じる分子メカニズムを説明することができた.
さらにこれら研究成果をもとにより実際の細胞膜環境に近いモデル膜系, すなわち非対称な二重層膜を向かい合わせに配置した上で細胞内外でのイオン環境の違いをあらわに再現した大規模系, についてのMD計算を順調に進めている. 同時に,細胞膜を構成する個々の脂質分子種について,単純なモデル膜に対して添加した際の膜物性変化,およびそのメカニズムを明らかにするMD計算研究を行い着実に成果を挙げている. さらにモデル膜中でのコレステロール分子の側方相互作用についてリン脂質分子の果たす溶媒効果についても別途MD計算により明らかにしてきている.
また成果の創出にあたってはMD計算自体の効率化が不可欠であるが最新の計算機を有効に利用するための並列化方法論の開発, および他の研究課題と連携しての新規MPI通信アルゴリズムの開発を進め, 着実に成果を挙げている.
これら研究成果を複数の国内学会および国際学会において発表し, その一部を英文論文誌に公刊している.
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| 今後の研究の推進方策 |
研究の最終年度となるため研究の総括および外部発表に重点をおいて研究を進める. 実際の細胞膜環境に近い非対称な脂質組成およびイオン環境を再現した二重層モデル膜系に対するMD計算を本格的に実施するとともに, 膜物性の単層膜間での違いおよびその単層膜間での相関, コレステロール分子の側方凝集, 膜表面のイオン分布, 膜の物質透過性についての解析を行う.
特にコレステロール分子の側方凝集についてはその側方集合・離散のタイムスケール,およびそのサイズ依存性についての解析を進め, 既存の脂質ラフトに関する知見との比較を行う. 側方凝集については同じ単層膜内での相関だけでなく異なる単層膜間での相関についても議論する. コレステロール凝集に対してリン脂質分子の果たす溶媒効果, および異なる単層膜間での物性の相関に対してコレステロール以外の脂質分子(特にスフィンゴ脂質)が果たす役割についても議論を進める.
膜の物質透過性については細胞膜への小分子透過を考えた場合本研究で扱うような外単層膜と内単層膜での組成および物性の異なる脂質二重層膜を透過している. 内外単層膜の物性の違いと照らし合わせながら, 膜垂直方向に沿った透過の自由エネルギー変化プロファイルを算出するなどして, 小分子が細胞膜を透過する過程の実際を明らかにしていく. 細胞膜表面には双極性のリン脂質頭部, および一部負に帯電した脂質頭部が配向しており, 特異な静電環境にある. よって溶媒中のイオンがどのように膜表面に分布しているのかといった一般的興味ついても議論する.
MD計算や自由エネルギープロファイル計算を効率的に進めるための方法論の開発についても引き続き行う.
これまでに得られた研究成果を学会発表するとともに英文誌への投稿を行う.
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| 次年度使用額が生じた理由 |
昨年度からの繰越金額と今年度の受領額を主に計算機資源に対して利用しつつ研究を推進してきた. 他の課題とも連携しつつ,受領金額の範囲内で非対称な脂質組成を持つモデル膜について目標としていた1マイクロ秒のMD計算を終わらせることができた. さらに細胞内外でのイオン環境の違いをあらわに取り入れた大規模系の計算を進めつつある. 今年のMD計算の結果生成された膨大なトラジェクトリデータに対する解析, および解析結果の考察過程に多くの研究時間を費やし, 研究の推進上それ以上の支出を必要としなかったことから, 残額を来年度に繰越すこととした.
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