Lipider och membranproteiner som finns i cellmembran, som finns i det yttersta lagret av celler, är ansvariga för att känna igen extracellulära miljöer och överföra den informationen inuti cellen. På grund av deras djupa relation till bakteriell och viral infektion och immunologiskt svar och neural överföring, de är viktiga forskningsämnen inom biologi, medicin och läkemedelsutveckling. I reaktionsprocessen för både extern igenkänning och signalöverföring, bildandet av tvådimensionella aggregat av lipider med skrymmande hydrofila grupper, som sockerkedjor eller inositolringar, i cellmembran anses nödvändiga. Små aggregat på upp till 10 molekyler kallas kluster, medan aggregat med fler molekyler och ytterligare tillväxt kallas domäner.

Lipider är amfifila molekyler som härrör från organismer, och har både hydrofila och hydrofoba egenskaper inom sina molekyler. Många tidigare studier har visat att interaktioner i den hydrofoba regionen, såsom fasövergången och blandbarheten av kolvätekedjor, spelar en viktig roll i domänbildning i lipiddubbelskiktsmembran. Å andra sidan, interaktioner vid de hydrofila regionerna av lipider har inte undersökts i stor omfattning, med många faktorer som fortfarande är oklara. Interaktioner blir komplicerade på grund av repulsion som uppstår genom fluktuationer av hydrofila egenskaper i vattnet, speciellt vid skrymmande hydrofila regioner som sockerkedjor. Repulsionen som orsakas av sådana fluktuationer påverkar också mätningar via atomkraftmikroskopi (AFM) som kan upptäcka även den minsta mängd kraft.

En forskargrupp ledd av Ryugo Tero, Docent vid Toyohashi University of Technology, har använt fluorescensmikroskopi och AFM för att i detalj undersöka artificiella lipid-dubbelskiktsmembran som innehåller lipider modifierade av den hydrofila polymeren, polyetylenglykol (PEG) (Figur 1). Resultaten visade att två typer av aggregat, kluster och domäner, form beroende på koncentrationen av PEG-modifierade lipider, och att det nästan inte finns någon fluiditet i de domäner som uppstår på grund av hög koncentration. Dessa aggregat bildas inte genom interaktionen av lipidernas hydrofoba region, men genom interaktionen av deras hydrofila region. Intressant, när det observeras med AFM, de PEG-modifierade lipiddomänerna som borde ha varit skrymmande, observerades på en lägre nivå än omgivningen (Figur 1B). Docent Tero genomförde ett gemensamt experiment med professor Takeshi Fukuma vid Kanazawa University angående orsakerna till detta. Genom att använda frekvensmodulering AFM (FM-AFM), och noggrant kontrollera kraften mellan provet och sonden, de kunde observera den PEG-modifierade lipiddomänen på en högre nivå än lipidmembranområdet, utan applicering av någon mängd kraft (Figur 1C). Eftersom repulsionerna kommer att förändras på grund av fluktuationen av hydrofila polymerkedjor beroende på den kraft som appliceras, det har visat sig att i allmänhet, en omvänd bild av den sanna tredimensionella strukturen uppträder oundvikligen vid villkoren för amplitudmodulering AFM (AM-AFM) observation.

"För att etablera en experimentell metod för att undersöka glykolipiders aggregerade tillstånd och funktion, vi använde PEG-modifierade lipider som är lätta att få tag på i början. Vi kämpade för att hitta de mest lämpliga förhållandena för provberedning och AFM-observation av lipiddubbelskiktsmembranet som innehåller PEG-modifierade lipider. Resultaten skilde sig mycket jämfört med förväntningarna, speciellt på grund av det faktum att de försänkta områdena växte med ökningen av koncentrationen av PEG-modifierade lipider. Tänkte att det kan ha varit ett misstag, vi upprepade experimentet och bekräftade dess reproducerbarhet. Intuitivt, det kan verka osannolikt att regionen med skrymmande molekyler verkar lägre med AFM, men när polymerens sammansatta tillstånd och de grundläggande principerna för AFM beaktas, detta är faktiskt mycket rimligt. När de konkava-konvexa egenskaperna hos ytan vänds efter byte till FM-AFM, det gemensamma experimentet med Kanazawa University nådde sin topp och vi ropade "Eureka!" Så förklarar huvudförfattaren, Yasuhiro Kakimoto, för närvarande på doktorandkursen (inskriven i programmet för ledande forskarskola organiserat av utbildningsministeriet, Kultur, Sporter, Vetenskap och teknologi).

Forskargruppens ledare, Docent Ryugo Tero sa "För att förstå biomolekylernas funktioner på molekylär nivå, det är viktigt att förstå utseendet på mjuka molekyler, som lipider och proteiner, fluktuerande i vattnet. Faktiskt, vissa bevis från experiment som innehåller många glykolipider som observerats på en lägre nivå med AM-AFM har erhållits i cirka 10 år i flera system. Även om avstötning på grund av fluktuationer i hydrofila regioner bara var en hypotes, denna studie har bekräftat dess giltighet. De avgörande prestationerna i denna studie var de resultat som uppnåddes genom att använda professor Fukumas toppmoderna FM-AFM-instrument (Figur 2), som ledde till att denna gemensamma forskning åstadkommer magnifika resultat."

Principen för domänbildning på grund av interaktioner med hydrofila polymerkedjor som identifierats som ett resultat av denna forskning har visat sig dela gemensamma drag med glykolipider i cellmembranet. Vårt forskarlag anser att denna princip kommer att hjälpa till med förståelsen av mekanismen för celligenkänning och signalöverföringar relaterad till det aggregerade tillståndet av glykolipider och membranproteiner. Vidare, resultaten från experimenten, där skrymmande föremål kan visas insjunkna beroende på förhållandena, är avgörande för många forskare som analyserar biologiska molekyler under vattnet genom atomkraftsmikroskopi. Dessutom, PEG har effekten att undertrycka ospecifika adsorptioner som proteiner, etc., och kan också användas i biogränssnitt och läkemedelsleverans. Bildandet och kraftresponsen av PEG-rika kluster och domäner förväntas ha en genomgripande effekt även inom dessa områden.