2022 Fiscal Year Research-status Report
光学-分子動力学計算融合による細胞膜損傷の分子レベルでの理解と定量化技術の開発
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21K19903
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
中村 匡徳 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20448046)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
杉田 修啓 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (20532104)
重松 大輝 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (50775765)
氏原 嘉洋 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80610021)
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| Project Period (FY) |
2021-07-09 – 2024-03-31
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| Keywords | 細胞膜 / SHG / 分子動力学 / 損傷 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
細胞膜は細胞内外を隔てる境界である．膜の損傷は，赤血球の崩壊である溶血や心筋細胞の機能異常である心不全などの疾患に直結する．しかしながら，膜の損傷度を定量化する技術は現存せず，現象の理解が遅れている．本研究では，光学技術に基づく細胞膜の分子レベルの損傷度の定量化法を確立する．また，分子動力学計算により膜損傷の物理を理解するとともに，SHG光観察系により力学負荷を与えたリポソームの膜損傷を定量化することに挑戦する．
細胞膜単体ではSHG光を出さないため，SHG光観察のため，Ap3と呼ばれる色素分子を細胞膜に添加する．実験により，電気穿孔法により細胞膜に損傷を与えると，SHG光が低下することをこれまでに確認している．そこで，細胞膜に損傷与えると，なぜSHG光が低下するのかを明らかにするために，分子動力学計算を用いて，膜損傷（孔形成）と色素分子（Ap3）の膜層間移動の関係を調べた．孔があるリン脂質二重膜系と孔がないリン脂質二重膜系を用意し，Ap3の層間移動に関する自由エネルギを計算した．その結果，孔なしに比べ，孔ありでの自由エネルギ障壁の高さは極めて低く，孔がない部分に対して孔がある部分ではAp3の移動速度が10の29乗倍速くなることを明らかにした．また，孔がない部分での色素の移動はほぼ無視できると見積もることができた．以上より，Ap3の層間移動は主に膜に生じた孔を介して起こり，孔以外の部分での層間移動は無視できることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
分子動力学計算によるSHG光分子の移動については詳細な機序が判明し、論文化を検討している。ＳＨＧ光の可視化実験については、顕微鏡の故障からやや遅れているところもあったがその間に実験方法や計画の見直しができたため、今後に期待できる。また、これまでの実験成果は現在論文にまとめている。
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| Strategy for Future Research Activity |
ＳＨＧ光の可視化実験については，これまでリポソームを題材としていたが，培養細胞を用いることを検討する．また，実験データのばらつきが大きいので，実験回数を増やし，より確固たる実験結果にするようにする．機械的な刺激を繰り返し与えられるよう，実験系を組む．
分子動力学計算においては，まず，孔が一つある場合のAp3の膜透過係数を算出する．その後，孔の大きさや数が変化したときの膜透過係数を算出し，SHG輝度変化とAp3移動による膜の構造変化との関係性を定量化する．以上により，実験によるSHG輝度変化を膜の構造変化として定義可能にすることを目指す．
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| Causes of Carryover |
SHG光を検知するための顕微鏡が故障したため、実験が一時的に停止した。その結果として一部予算を次年度に持ち越して実験を行うこととなった。
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