Lipiden en membraaneiwitten die aanwezig zijn in celmembranen, die zich in de buitenste cellaag bevinden, zijn verantwoordelijk voor het herkennen van extracellulaire omgevingen en het overbrengen van die informatie in de cel. Vanwege hun diepe relatie met bacteriële en virale infectie en immunologische respons en neurale transmissie, het zijn belangrijke onderzoeksthema's op het gebied van biologie, medicijnontwikkeling en medicijnontwikkeling. In het reactieproces van zowel externe herkenning als signaaloverdracht, de vorming van tweedimensionale aggregaten van lipiden met omvangrijke hydrofiele groepen, zoals suikerketens of inositolringen, in celmembranen noodzakelijk worden geacht. Kleine aggregaten van maximaal 10 moleculen worden clusters genoemd, terwijl aggregaten met meer moleculen en verdere groei domeinen worden genoemd.

Lipiden zijn amfifiele moleculen die zijn afgeleid van organismen, en hebben zowel hydrofiele als hydrofobe eigenschappen in hun moleculen. Veel eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat interacties in het hydrofobe gebied, zoals de faseovergang en mengbaarheid van koolwaterstofketens, spelen een belangrijke rol bij domeinvorming in lipide dubbellaagmembranen. Anderzijds, interacties in de hydrofiele regio's van lipiden zijn niet uitgebreid onderzocht, waarbij veel factoren nog onduidelijk zijn. Interacties worden gecompliceerd door afstoting die optreedt door de fluctuatie van hydrofiele eigenschappen in het water, vooral in omvangrijke hydrofiele gebieden zoals suikerketens. De afstoting die door een dergelijke fluctuatie wordt veroorzaakt, heeft ook invloed op metingen via atomaire krachtmicroscopie (AFM) die zelfs de kleinste hoeveelheid kracht kan detecteren.

Een onderzoeksteam onder leiding van Ryugo Tero, Universitair hoofddocent aan de Toyohashi University of Technology, heeft fluorescentiemicroscopie en AFM gebruikt om in detail kunstmatige lipide dubbellaagse membranen te onderzoeken die lipiden bevatten die zijn gemodificeerd door het hydrofiele polymeer, polyethyleenglycol (PEG) (Figuur 1). De resultaten toonden aan dat twee soorten aggregaten, clusters en domeinen, vorm afhankelijk van de concentratie van PEG-gemodificeerde lipiden, en dat er bijna geen vloeibaarheid is in de domeinen die verschijnen als gevolg van hoge concentratie. Deze aggregaten worden niet gevormd door de interactie van het hydrofobe gebied van lipiden, maar door de interactie van hun hydrofiele regio. interessant, wanneer waargenomen met AFM, de PEG-gemodificeerde lipidedomeinen die omvangrijk hadden moeten zijn, werden waargenomen op een lager niveau dan de omgeving (Figuur 1B). Universitair hoofddocent Tero voerde een gezamenlijk experiment uit met professor Takeshi Fukuma aan de Universiteit van Kanazawa over de redenen hiervoor. Door gebruik te maken van frequentiemodulatie AFM (FM-AFM), en het nauwkeurig regelen van de kracht tussen het monster en de sonde, ze waren in staat om het PEG-gemodificeerde lipidedomein op een hoger niveau te observeren dan het lipidemembraangebied, zonder de toepassing van enige hoeveelheid kracht (Figuur 1C). Aangezien afstoting zal veranderen als gevolg van de fluctuatie van hydrofiele polymeerketens, afhankelijk van de uitgeoefende kracht, is gebleken dat in het algemeen een omgekeerd beeld van de echte driedimensionale structuur verschijnt onvermijdelijk bij de omstandigheden voor AFM-waarneming met amplitudemodulatie (AM-AFM).

"Om een ​​experimentele methode vast te stellen voor het onderzoeken van de geaggregeerde toestand en functie van glycolipiden, we gebruikten PEG-gemodificeerde lipiden die in het begin gemakkelijk te verkrijgen zijn. We worstelden om de meest geschikte omstandigheden te vinden voor monstervoorbereiding en AFM-observatie van het lipidedubbellaagmembraan dat PEG-gemodificeerde lipiden bevat. De resultaten verschilden sterk in vergelijking met de verwachtingen, vooral vanwege het feit dat de uitgespaarde gebieden groeiden met de toename van de concentratie van PEG-gemodificeerde lipiden. Denkend dat er misschien een fout is gemaakt, we herhaalden het experiment en bevestigden de reproduceerbaarheid ervan. Intuïtief, het lijkt misschien onwaarschijnlijk dat het gebied met omvangrijke moleculen lager lijkt met AFM, maar wanneer de geassembleerde staat van het polymeer en de basisprincipes van AFM worden overwogen, dit is eigenlijk heel redelijk. Toen de concaaf-convexe eigenschappen van het oppervlak omkeerden na het overschakelen naar FM-AFM, het gezamenlijke experiment met Kanazawa University bereikte zijn hoogtepunt en we riepen 'Eureka!'", aldus de hoofdauteur, Yasuhiro Kakimoto, momenteel in de doctoraatscursus (ingeschreven in het programma voor toonaangevende Graduate School georganiseerd door het ministerie van Onderwijs, Cultuur, Sport, Wetenschap en technologie).

De leider van het onderzoeksteam, Universitair hoofddocent Ryugo Tero zei:"Om de functies van biomoleculen op moleculair niveau te begrijpen, het is van vitaal belang om het uiterlijk van zachte moleculen te begrijpen, zoals lipiden en eiwitten, fluctuerend in het water. In feite, er is gedurende ongeveer 10 jaar in verschillende systemen enig bewijs verkregen uit experimenten waarbij veel glycolipiden op een lager niveau zijn waargenomen met AM-AFM. Hoewel afstoting als gevolg van fluctuatie van hydrofiele regio's slechts een hypothese was, deze studie heeft de geldigheid ervan bevestigd. De cruciale resultaten in deze studie waren de resultaten die werden verkregen door gebruik te maken van het ultramoderne FM-AFM-instrument van professor Fukuma (Figuur 2), die ertoe hebben geleid dat dit gezamenlijke onderzoek prachtige resultaten heeft opgeleverd."

Het principe van domeinvorming als gevolg van interacties met hydrofiele polymeerketens die als resultaat van dit onderzoek zijn geïdentificeerd, blijkt overeenkomsten te vertonen met glycolipiden in het celmembraan. Ons onderzoeksteam is van mening dat dit principe zal helpen bij het begrijpen van het mechanisme van celherkenning en signaaloverdracht in verband met de geaggregeerde toestand van glycolipiden en membraaneiwitten. Verder, de bevindingen van de experimenten, waarin omvangrijke objecten verzonken kunnen lijken, afhankelijk van de omstandigheden, zijn van vitaal belang voor veel onderzoekers die biologische moleculen onder water analyseren door middel van atoomkrachtmicroscopie. In aanvulling, PEG's hebben het effect van het onderdrukken van niet-specifieke adsorpties zoals eiwitten, enzovoort., en kan ook worden gebruikt in bio-interfaces en medicijnafgifte. De vorming en krachtrespons van PEG-rijke clusters en domeinen zullen naar verwachting ook op deze gebieden een doordringend effect hebben.