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2018 年度 実績報告書

細胞模倣膜ダイナミクス制御の物理・数学・化学

研究課題

研究課題/領域番号 17H03467
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

高木 昌宏  北陸先端科学技術大学院大学, 先端科学技術研究科, 教授 (00183434)

研究期間 (年度) 2017-04-01 – 2020-03-31
キーワードリポソーム / 相分離 / 生体模倣膜 / 数理モデル / シミュレーション / 生理活性
研究実績の概要

【研究概要】現在、我々は、各種生理活性物質(温感、冷感、ビタミン、各種カチオン、コレステロール、界面活性剤等)と生体モデル膜(細胞サイズリポソーム)との相互作用を解析し、その2次元(膜相分離構造)、3次元(膜構造)ダイナミクスを画像解析などの手法により詳細に解析し、生理応答と分子レベルでの膜相互作用について、考察を行っている。また、結果をもとに、数理モデルを作成し、さらには類似の機能を有する物質を化学合成する研究に取り組んでいる。
【研究例:トコフェロールと膜相分離】(背景)現在、生体モデル膜と、各種生理活性物質との相互作用、相互作用による膜ダイナミクス(膜相分離構造、膜形態)の変化について、研究を行っている。ビタミンEはトコフェロール(toc)、トコトリエノール(toc3)の2つに分類されている。いずれも、食品に多く含まれる物質であり、抗酸化作用をもつことで知られている。tocは小胞体ストレスの関わる神経細胞死を抑制するが、toc3では抑制しない。このような機能の違いが生じる原因は明らかになっていない。生体膜はリン脂質を主成分とした二重膜構造であり、生体反応の場として重要である。小胞体膜はコレステロールをほとんど含まないため、細胞膜での相分離と違い、秩序固体相 (solid-ordered(So) phase: 飽和脂質に富む)が出現する。そこでビタミンEが膜相分離構造に及ぼす影響を明らかにすることを目的にしている。(結果)ビタミンEによりSo domainの形成が阻害されること、特に、tocはtoc3よりも大きく阻害することを明らかにした。一方、ビタミンEを加えても液体相分離構造の形成率(Lo、Ld domain)には変化がみられなかった。ドメインの界面に揺らぎが観察されたため、ビタミンEは液体相分離構造の形成に重要な線張力を低下させていることが考えられた。

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

各種生理活性物質と膜相互作用を検討し、学会発表や論文発表も、積極的に行っている。これまで細胞膜を中心に研究を行ってきたが、現在は、小胞体膜など、細胞小器官をイメージした膜構造、さらには酸化コレステロールや脂質過酸化物など、老化をイメージしたモデル膜の作成にも取り組み、一定の成果が挙がっている。数理モデルは、結果を理解し、分子レベルでの相互作用をイメージするのに役立ち、共同研究レベルでは、膜結合物質の化学合成、機能解析も結果が出始めている。

今後の研究の推進方策

これまで通り、生体模倣膜を中心に、生物学のみならず、物理、化学、数学など多角的に膜ダイナミクスについて、研究を続ける。これまでは、疎水、親水性の相互作用にのみ着目していたが、3年目には、膜電位、そして荷電物質(金属イオン、ポリアミン等)と荷電脂質との相互作用が起こすダイナミクスを解析していきたい(一部、実施中)。さらに共同研究者とも密接に連携して、膜結合物質を種々合成し、すでに成功しているイオンチャネルだけでない、機能性の化合物のデザイン、合成、機能解析も進めていきたい。

  • 研究成果

    (25件)

すべて 2019 2018 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (21件) (うち国際学会 2件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Effects of Capsaicin on Biomimetic Membranes2019

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Huong T. T. Phan. Tsuyoshi Yoda, Naofumi Shimokawa, Mun'delanji C. Vestergaard, Masahiro Takagi
    • 雑誌名

      Biomimetics

      巻: 4 ページ: 17-28

    • DOI

      10.3390/biomimetics4010017

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Effect of temperature on raft-dependent endocytic cluster formation during activation of Jurkat T cells by concanavalin A2019

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, KeangOK Baek, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 雑誌名

      Journal of Bioscience and Bioengineering

      巻: 4 ページ: 479-485

    • DOI

      10.1016/j.jbiosc.2018.09.014

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Membrane permeation of giant unilamellar vesicles and corneal epithelial cells with lipophilic vitamin nanoemulsions2018

    • 著者名/発表者名
      Miyuki Miyake, Yasushi Kakizawa, Norio Tobori, Masatoshi Kurioka, Nobuhito Tabuchi, Ryo Kon, Naofumi Shimokawa, Yoshio Tsujino, Masahiro Takagi
    • 雑誌名

      Colloids and Surfaces B: Biointerfaces

      巻: 169 ページ: 444-452

    • DOI

      10.1016/j.colsurfb.2018.05.052

    • 査読あり
  • [学会発表] 荷電脂質膜の張力誘起相分離と脂質電離状態2019

    • 著者名/発表者名
      郭 ジンウ,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] カチオンの構造に依存した負電荷脂質膜の相分離2019

    • 著者名/発表者名
      引地 啓太,山本 耀悟,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] 荷電脂質膜の相分離ドメイン界面張力2019

    • 著者名/発表者名
      下川 直史,益田 藍子,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会第74回年次大会
  • [学会発表] 生体模倣膜ダイナミクスにおける界面活性剤の親水性・疎水性バランスの影響2019

    • 著者名/発表者名
      佐々木 陽介,辻野 義雄,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会(2019)
  • [学会発表] カチオン添加による負電荷脂質膜相分離構造の安定性2019

    • 著者名/発表者名
      永田 佳嗣,引地 啓太,秀瀬 涼太,藤原 伸介,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会第99春季年会(2019)
  • [学会発表] Formation of modulated phase and domain rigidification in fatty acids-containing lipid membranes2018

    • 著者名/発表者名
      Naofumi Shimokawa, Rieko Mukai, Mariko Nagata, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      The 79th Okazaki Conference: Synthetic, Biological, and Hybrid Molecular Engines
    • 国際学会
  • [学会発表] 脂質二重膜における添加した飽和脂肪酸の鎖長に依存した相分離構造2018

    • 著者名/発表者名
      下川 直史,長田 真理子,矢野 祥子,向井 梨恵子,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] 脂質電離状態に依存した二成分荷電脂質膜の相分離2018

    • 著者名/発表者名
      郭 ジンウ,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] 負電荷脂質膜の相分離における添加カチオンの価数・構造依存性2018

    • 著者名/発表者名
      引地 啓太,山本 耀悟,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会2018年秋季大会
  • [学会発表] ホスファチジルセリンを含む生体模倣膜でのpH変化によるドメイン形成2018

    • 著者名/発表者名
      郭 ジンウ,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会 第12回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] 生体模倣膜と低刺激性界面活性剤の相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      佐々木 陽介,辻野 義雄,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会 第12回バイオ関連化学シンポジウム
  • [学会発表] Analysis of mechanism of action on biomimetic membrane by low irritant surfactants2018

    • 著者名/発表者名
      佐々木 陽介,辻野 義雄,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      第70回日本生物工学会大会
  • [学会発表] ストレス状態モデル膜と低刺激性界面活性剤の相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      高橋 祐菜,辻野 義雄,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      第70回日本生物工学会大会
  • [学会発表] ポリアミンによる荷電脂質膜の相分離2018

    • 著者名/発表者名
      引地 啓太,山本 耀悟,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      第70回日本生物工学会大会
  • [学会発表] コレステロール酸化と生体模倣膜のドメイン熱安定性2018

    • 著者名/発表者名
      浅野 圭亮,志水 誠,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      平成30年度北陸地区講演会と研究発表会
  • [学会発表] ホスファチジルセリン電離状態に依存した二成分荷電脂質膜のドメイン形成2018

    • 著者名/発表者名
      郭 ジンウ,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      平成30年度北陸地区講演会と研究発表会
  • [学会発表] 分子構造が似た界面活性剤が引き起こす生体模倣膜の変形ダイナミクス2018

    • 著者名/発表者名
      佐々木 陽介,辻野 義雄,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      平成30年度北陸地区講演会と研究発表会
  • [学会発表] 紫外線ストレス状態モデル膜と低刺激性界面活性剤の相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      高橋 祐菜,辻野 義雄,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      平成30年度北陸地区講演会と研究発表会
  • [学会発表] ラフトモデル膜と酸化コレステロールの相互作用2018

    • 著者名/発表者名
      浜村 鷹,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      平成30年度北陸地区講演会と研究発表会
  • [学会発表] 負電荷脂質膜の相分離における添加カチオンの価数・構造依存性2018

    • 著者名/発表者名
      引地 啓太,山本 耀悟,下川 直史,高木 昌宏
    • 学会等名
      平成30年度北陸地区講演会と研究発表会
  • [学会発表] Phase separation in charged lipid membranes under isothermal conditions: multivalent cation and membrane tension2018

    • 著者名/発表者名
      Naofumi Shimokawa, Keita Hikichi, Jingyu Guo, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      Soft Matter Physics: from the perspective of the essential heterogeneity
    • 国際学会
  • [備考] 北陸先端科学技術大学院大学・高木研究室ホームページ

    • URL

      http://www.jaist.ac.jp/ms/labs/takagi/

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公開日: 2019-12-27  

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