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2015 年度 実績報告書

粗視化分子動力学シミュレーションによる荷電脂質膜の相分離と変形

公募研究

研究領域感覚と知能を備えた分子ロボットの創成
研究課題/領域番号 15H00806
研究機関北陸先端科学技術大学院大学

研究代表者

下川 直史  北陸先端科学技術大学院大学, マテリアルサイエンス研究科, 助教 (20700181)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2017-03-31
キーワードリン脂質 / リポソーム / ベシクル / 脂質二重膜 / 相分離 / 膜変形 / 静電相互作用 / 粗視化分子動力学シミュレーション
研究実績の概要

リン脂質から成るリポソームは分子ロボットにおける器と成り得ることから、注目を集めている。リポソームの制御、機能付与など様々な研究が行われているが、その多くが電気的に中性のリン脂質を用いている。一方、実際の細胞膜には負に帯電したリン脂質が含まれており、静電相互作用を制御することで様々な機能を発現している。しかし、静電相互作用はその長距離性や多体相互作用のため、制御が困難である。そこで、静電相互作用の制御を目指し、実験・理論・数値シミュレーションを併用し荷電脂質を含むリポソームでの構造形成について取り組んでいる。
当該年度は(1)荷電脂質膜での相分離と膜孔形成、(2)荷電脂質膜の相分離理論、(3)荷電脂質膜の相分離と膜変形挙動の数値シミュレーションについて行った。
(1)では不飽和荷電脂質と飽和中性脂質の系において自発的に膜孔が形成されることを実験的に示した。またこれらの結果を粗視化分子動力学シミュレーションにより再現することにも成功した。シミュレーションより荷電脂質が膜孔の縁を安定化していることが示された。この研究成果は学術論文として発表した。
(2)では荷電脂質と中性脂質の二成分系の相分離を現象論的なモデルにより記述した。脂質の相転移を記述するために膜厚、相分離を記述するために脂質の面積分率の2つの秩序変数を用いた。特に分子体積が保存する仮定を置くことで静電相互作用と脂質の転移が結合する効果を取り入れた。塩濃度や脂質間相互作用を変化させ相挙動を記述することに成功した。この結果は論文としてまとめ、現在投稿中である。
(3)では荷電脂質と中性脂質二成分系の相分離と自発的な変形を塩濃度や脂質間相互作用を変化させ系統的に調べた。特に相分離ドメイン形成の時間発展についてや静電相互作用による膜変形についての予測を行った。これらの結果は論文として発表する準備を進めている。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

シミュレーションに関しては当初の予定通りに進行している。それに加え、理論面でも相分離挙動を記述するモデルを提案するなど計画以上に研究が進展している。理論においては上述したモデルの他に荷電脂質膜の理論に関する共同研究も行っている。また、翌年度に行うシミュレーションの予備計算も終了している。さらに、シミュレーションに関する共同研究も2つ新たに行うことになっており、計画以上に研究が進展していると言える。

今後の研究の推進方策

現在までの研究結果を踏まえ、今後は以下の研究を計画している。
(1)荷電脂質膜の相分離と膜変形挙動の数値シミュレーションについて論文の作成を行う。また、必要であれば追加の計算を行っていく予定である。
(2)荷電脂質膜へのコロイド粒子の添加を数値シミュレーションにより行う。中性コロイドの場合は親水相互作用を強くした親水コロイド、疎水性相互作用を強くした疎水コロイドを想定し、エンドサイティックな挙動や膜内への進入などが見られるかを明らかにする。荷電コロイドでも同様の点に注目するが、荷電コロイドが膜面に相分離を誘起するかを特に注目して計算を行っていく。
(3)(2)においてコロイド粒子を数を増やし計算を行う。その際にはコロイド-コロイド間の相互作用を制御することで、1つのコロイド粒子を添加するときには見られない挙動を明らかにしていく。
以上より、コロイド粒子と荷電脂質膜との相互作用に重点を置き、相分離誘起・膜変形を明らかにすることで、リポソームの構造制御に役立てていくことを目指す。

  • 研究成果

    (46件)

すべて 2016 2015 その他

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件、 謝辞記載あり 2件、 オープンアクセス 1件) 学会発表 (41件) (うち国際学会 11件、 招待講演 1件) 備考 (2件)

  • [雑誌論文] Physical properties of the hybrid lipid POPC on micrometer-sized domains in mixed lipid membranes2015

    • 著者名/発表者名
      Naofumi Shimokawa, Mariko Nagata, Masahiro Takagi
    • 雑誌名

      Physical Chemistry Chemical Physics

      巻: 17 ページ: 20882-20888

    • DOI

      10.1039/C5CP03377B

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Destabilization of phase-separated structures in local anesthetic-containing model biomembranes2015

    • 著者名/発表者名
      Ko Sugahara, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 雑誌名

      Chemistry Letters

      巻: 44 ページ: 1604-1606

    • DOI

      10.1246/cl.150636

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Coupling between pore formation and phase separation in charged lipid membranes2015

    • 著者名/発表者名
      Hiroki Himeno, Hiroaki Ito, Yuji Higuchi, Tsutomu Hamada, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 92 ページ: 062713 1-12

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevE.92.062713

    • 査読あり / 謝辞記載あり
  • [学会発表] T細胞信号伝達に対する冷感剤メントールの影響2016

    • 著者名/発表者名
      薮内 里実、大久保 由布、白 京玉、星野 邦秀、辻野 義雄、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学 京田辺キャンパス(京都府京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] Decrease of thermo stability of membrane phase-separation induced by addition of local anesthetics2016

    • 著者名/発表者名
      菅原 恒、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学 京田辺キャンパス(京都府京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] 細胞サイズリポソームへの親水性ナノゲル粒子の取り込み挙動2016

    • 著者名/発表者名
      市川 昌子、下川 直史、高木 昌宏、北山 雄己哉、竹内 俊文
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学 京田辺キャンパス(京都府京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] 膜ダイナミクスを利用した界面活性剤の刺激性評価2016

    • 著者名/発表者名
      下川 真司,下川 直史, 辻野 義雄, 高木 昌宏
    • 学会等名
      日本化学会第96春季年会
    • 発表場所
      同志社大学 京田辺キャンパス(京都府京田辺市)
    • 年月日
      2016-03-24 – 2016-03-27
  • [学会発表] 荷電脂質を含む二重膜の内膜での相分離2016

    • 著者名/発表者名
      木全 篤、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 泉キャンパス(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 電場による脂質エマルションの融合解析2016

    • 著者名/発表者名
      佐々木 秀彰、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 泉キャンパス(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] 脂肪酸を含む脂質混合膜のドメイン形成2016

    • 著者名/発表者名
      下川 直史、向井 梨恵子、長田 真理子、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会第71回年次大会
    • 発表場所
      東北学院大学 泉キャンパス(宮城県仙台市)
    • 年月日
      2016-03-19 – 2016-03-22
  • [学会発表] Physical properties of the hybrid lipid POPC on micrometer-sized domains in mixed lipid membranes2016

    • 著者名/発表者名
      Naofumi Shimokawa
    • 学会等名
      International Symposium Bioscience and Biotechnology in JAIST
    • 発表場所
      石川ハイテク交流センター(石川県能美市)
    • 年月日
      2016-03-18
    • 国際学会
  • [学会発表] 粗視化分子動力学シミュレーションによる荷電脂質膜の相分離と変形2016

    • 著者名/発表者名
      下川 直史
    • 学会等名
      第7回分子ロボティクス領域会議
    • 発表場所
      ホテルたつき (愛知県蒲郡市)
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [学会発表] 荷電脂質膜における相分離とポア形成の結合2016

    • 著者名/発表者名
      下川 直史、姫野 泰輝、伊藤 弘明、樋口 祐次、濱田 勉、高木 昌宏
    • 学会等名
      第7回分子ロボティクス領域会議
    • 発表場所
      ホテルたつき (愛知県蒲郡市)
    • 年月日
      2016-03-14 – 2016-03-16
  • [学会発表] 界面活性剤誘起膜ダイナミクスを利用した刺激性評価法2015

    • 著者名/発表者名
      下川 真司,下川 直史, 辻野 義雄, 高木 昌宏
    • 学会等名
      日本動物実験代替法学会 第28回大会
    • 発表場所
      ワークピア横浜 (神奈川県横浜市)
    • 年月日
      2015-12-10 – 2015-12-12
  • [学会発表] 脂質組成の非対称性を有する荷電脂質二重膜2015

    • 著者名/発表者名
      木全 篤、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      平成27年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-11-27
  • [学会発表] 電場下における脂質エマルションの融合2015

    • 著者名/発表者名
      佐々木 秀彰、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      平成27年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-11-27
  • [学会発表] 種々の界面活性剤による膜ダイナミクスと作用機構の解析2015

    • 著者名/発表者名
      下川 真司, 下川 直史, 辻野 義雄, 高木 昌宏
    • 学会等名
      平成27年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-11-27
  • [学会発表] T細胞の脂質ラフトと細胞骨格に温度が与える影響2015

    • 著者名/発表者名
      大久保 由布、薮内 里実、白 京玉、星野 邦秀、辻野 義雄、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      平成27年度北陸地区講演会と研究発表会
    • 発表場所
      金沢大学 角間キャンパス(石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-11-27
  • [学会発表] Membrane dynamics Induced by Physical differences between d- and l-isoforms of menthol2015

    • 著者名/発表者名
      Pooja Gusain, Kunihide Hoshino, Yoshio Tsujino, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      JAIST Symposium on Advanced Science and Technology 2015
    • 発表場所
      北陸先端科学技術大学院大学(石川県能美市)
    • 年月日
      2015-11-10 – 2015-11-12
    • 国際学会
  • [学会発表] Involvement of oxysterols in membrane interaction and vesicular transport of Amyloid beta2015

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Keang OK Beak, Huong T. T. Phan, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      JAIST Symposium on Advanced Science and Technology 2015
    • 発表場所
      北陸先端科学技術大学院大学(石川県能美市)
    • 年月日
      2015-11-10 – 2015-11-12
    • 国際学会
  • [学会発表] 局所麻酔薬による脂質膜相分離構造の不安定化2015

    • 著者名/発表者名
      菅原 恒、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      第67回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      城山観光ホテル(鹿児島県鹿児島市)
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-28
  • [学会発表] 細胞環境を考慮したリポソームの構築と膜電位2015

    • 著者名/発表者名
      森 昌平、菅原 恒、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      第67回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      城山観光ホテル(鹿児島県鹿児島市)
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-28
  • [学会発表] Physical changes induced by optical isomers of menthol on membrane dynamics2015

    • 著者名/発表者名
      Pooja Gusain, Kunihide Hoshino, Yoshio Tsujino, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      第67回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      城山観光ホテル(鹿児島県鹿児島市)
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-28
  • [学会発表] Effect of oxidized derivatives of Cholesterol on Endocytic Vesicular Transport of Amyloid beta(Aβ-42)2015

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Keang OK Beak, Huong T. T. Phan, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      第67回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      城山観光ホテル(鹿児島県鹿児島市)
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-28
  • [学会発表] 温度変化がT細胞の脂質ラフトと細胞骨格に与える影響2015

    • 著者名/発表者名
      大久保 由布、薮内 里実、白 京玉、星野 邦秀、辻野 義雄、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      第67回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      城山観光ホテル(鹿児島県鹿児島市)
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-28
  • [学会発表] 膜ダイナミクス解析に基づく界面活性剤の刺激性評価2015

    • 著者名/発表者名
      下川 真司, 下川 直史, 辻野 義雄, 高木 昌宏
    • 学会等名
      第67回日本生物工学会大会
    • 発表場所
      城山観光ホテル(鹿児島県鹿児島市)
    • 年月日
      2015-10-26 – 2015-10-28
  • [学会発表] Role of oxysterols in the endocytic transport of protein Amyloid beta (Aβ-42) in Alzheimer’s disease2015

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Keang OK Beak, Huong T. T. Phan, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      17th SPVM National Physics Conference, 2015 International Conference on Applied Materials and Optical Systems and 2015 International Meeting for Optical Manipulation in Complex Systems
    • 発表場所
      Cavite state university (Cavite, Philippines)
    • 年月日
      2015-10-22 – 2015-10-24
    • 国際学会
  • [学会発表] 脂質組成の非対称性を有する荷電脂質二重膜2015

    • 著者名/発表者名
      木全 篤、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 千里山キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] 電場下における脂質エマルションの融合2015

    • 著者名/発表者名
      佐々木 秀彰、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 千里山キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] オレイン酸添加による脂質膜面上のパターン形成2015

    • 著者名/発表者名
      下川 直史、向井 梨恵子、長田 真理子、高木 昌宏
    • 学会等名
      日本物理学会2015年秋季大会
    • 発表場所
      関西大学 千里山キャンパス(大阪府吹田市)
    • 年月日
      2015-09-16 – 2015-09-19
  • [学会発表] 冷感剤メントールがT細胞の膜流動性とシグナル伝達に与える影響2015

    • 著者名/発表者名
      薮内 里実、遠藤 智史、白 京玉、星野 邦英、辻野 義雄、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      第9回バイオ関連化学シンポジウム
    • 発表場所
      熊本大学 黒髪キャンパス(熊本県熊本市)
    • 年月日
      2015-09-10 – 2015-09-12
  • [学会発表] The role of oxysterols in the interaction of Amyloid beta (Aβ-42) with the Jurkat cells2015

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Keang OK Beak, Huong T. T. Phan, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      第9回バイオ関連化学シンポジウム
    • 発表場所
      熊本大学 黒髪キャンパス(熊本県熊本市)
    • 年月日
      2015-09-10 – 2015-09-12
  • [学会発表] セルサイズリポソームへのナノ粒子取り込み挙動2015

    • 著者名/発表者名
      市川 昌子、下川 直史、高木 昌宏、北山 雄己哉、竹内 俊文
    • 学会等名
      第9回バイオ関連化学シンポジウム
    • 発表場所
      熊本大学 黒髪キャンパス(熊本県熊本市)
    • 年月日
      2015-09-10 – 2015-09-12
  • [学会発表] 界面活性剤誘起膜ダイナミクスに基づく刺激性評価2015

    • 著者名/発表者名
      下川 真司, 下川 直史, 辻野 義雄, 高木 昌宏
    • 学会等名
      第9回バイオ関連化学シンポジウム
    • 発表場所
      熊本大学 黒髪キャンパス(熊本県熊本市)
    • 年月日
      2015-09-10 – 2015-09-12
  • [学会発表] 局所麻酔薬によるリポソーム相分離構造の不安定化2015

    • 著者名/発表者名
      菅原 恒、下川 直史、高木 昌宏
    • 学会等名
      第9回バイオ関連化学シンポジウム
    • 発表場所
      熊本大学 黒髪キャンパス(熊本県熊本市)
    • 年月日
      2015-09-10 – 2015-09-12
  • [学会発表] Differences in Membrane Dynamics Induced by d- and l-Menthol2015

    • 著者名/発表者名
      Pooja Gusain, Kunihide Hoshino, Yoshio Tsujino, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      Physics of Cells: From Molecule of Systems (PhysCell 2015)
    • 発表場所
      Kloster Banz (Bad Staffelstein, Germany)
    • 年月日
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Requirement of 25-hydroxycholesterol for endocytic transport of Amyloid beta (Aβ-42) into the Jurkat Cells2015

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Keang OK Beak, Huong T. T. Phan, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      Physics of Cells: From Molecule of Systems (PhysCell 2015)
    • 発表場所
      Kloster Banz (Bad Staffelstein, Germany)
    • 年月日
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Coupling between pore formation and phase separation in charged lipid membranes2015

    • 著者名/発表者名
      Naofumi Shimokawa, Hiroki Himeno, Hiroaki Ito, Yuji Higuchi, Tsutomu Hamada, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      Physics of Cells: From Molecule of Systems (PhysCell 2015)
    • 発表場所
      Kloster Banz (Bad Staffelstein, Germany)
    • 年月日
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Destabilization of phase-separated structure in local anesthetics containing model biomembrane2015

    • 著者名/発表者名
      Ko Sugahara, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      Physics of Cells: From Molecule of Systems (PhysCell 2015)
    • 発表場所
      Kloster Banz (Bad Staffelstein, Germany)
    • 年月日
      2015-08-30 – 2015-09-04
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Menthol’s Chirality on Membrane Dynamics2015

    • 著者名/発表者名
      Pooja Gusain, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
    • 発表場所
      京都大学 芝蘭会館(京都府京都市)
    • 年月日
      2015-08-20 – 2015-08-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Effect of Oxysterols on the Interaction of protofibrillar Amyloid beta (Aβ-42) with the Jurkat Cells2015

    • 著者名/発表者名
      Neha Sharma, Keang OK Beak, Huong T. T. Phan, Naofumi Shimokawa, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
    • 発表場所
      京都大学 芝蘭会館(京都府京都市)
    • 年月日
      2015-08-20 – 2015-08-23
    • 国際学会
  • [学会発表] Physical properties of the hybrid lipid POPC on micrometer-sized domains in mixed lipid membranes2015

    • 著者名/発表者名
      Naofumi Shimokawa, Mariko Nagata, Masahiro Takagi
    • 学会等名
      International Symposium on Fluctuation and Structure out of Equilibrium 2015
    • 発表場所
      京都大学 芝蘭会館(京都府京都市)
    • 年月日
      2015-08-20 – 2015-08-23
    • 国際学会
  • [学会発表] 静電相互作用が作る脂質膜の構造と形状2015

    • 著者名/発表者名
      下川 直史
    • 学会等名
      「分子ロボティクス研究会」2015年7月月例研究会(北陸)
    • 発表場所
      石川県四高記念文化交流館(石川県金沢市)
    • 年月日
      2015-07-27
    • 招待講演
  • [学会発表] 粗視化分子動力学シミュレーションによる荷電脂質膜の相分離と変形2015

    • 著者名/発表者名
      下川 直史
    • 学会等名
      新学術領域研究「分子ロボティクス」平成27年度公募班新規採択者発表会
    • 発表場所
      東京工業大学 田町キャンパスイノベーションセンター(東京都港区)
    • 年月日
      2015-05-09
  • [備考] JAIST 高木研究室

    • URL

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

  • [備考] Naofumi Shimokawa Homepage

    • URL

      https://sites.google.com/site/naofumishimokawa/

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公開日: 2017-01-06  

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