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

从分子水平了解细胞膜损伤，并结合光学和分子动力学计算开发定量技术

• 批准号: 21K19903
• 负责人: 中村 匡徳
• 金额: $ 4.16万
• 依托单位: Nagoya Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-07-09 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-21K19903/
• 关键词: 細胞膜; SHG; 分子動力学; 損傷; 細胞膜損傷

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．

The cell membrane separates the inside and outside of the cell. Membrane damage, hemolysis of red blood cells, dysfunction of tendon cells, heart failure, and disease. There is no way to quantify the damage of the membrane and understand the phenomenon. This study aims to establish a quantitative method for the molecular degradation of cell membranes based on optical techniques. Molecular dynamics calculations are used to understand the physics of membrane damage. SHG optical systems are used to quantify mechanical loads and membrane damage. The cell membrane is a membrane of pigment molecules. The cell membrane damage was confirmed by electroporation. The relationship between membrane damage (pore formation) and migration of pigment molecules (Ap3) between membrane layers was modulated by molecular dynamics calculations. The pore size of the lipid double membrane system is calculated based on the free movement of the Ap3 layer. As a result, the hole is faster than the hole, the hole is free to grow, the barrier is higher than the pole, the hole is lower than the hole, the hole is closer to the hole, the hole is closer to the hole, and the Ap3 moves at a speed of 10 and 29 times. The pigment moves in the hole and the pigment moves in the hole. The interlayer movement of Ap3 is the main film, and the interlayer movement of the part other than the hole is invisible.

项目成果

HG輝度計測に基づく細胞膜構造変化の可視化：分子動力学計算による検証

基于 HG 亮度测量的细胞膜结构变化可视化：使用分子动力学计算进行验证

• 发表时间: 2022
• 作者: 高木 麗弥，重松 大輝，氏原 嘉洋，杉田 修啓，中村 匡徳

SHG輝度計測に基づく細胞膜構造変化の可視化：分子動力学計算による検証

基于倍频亮度测量的细胞膜结构变化可视化：使用分子动力学计算进行验证

• 发表时间: 2022
• 作者: 芳川昌功;石川卓哉;大野栄三郎;田中浩敬;飯田忠;西尾亮;鈴木博貴;植月康太;八鹿潤;山田健太;宜保憲明;青木聡典;片岡邦夫;森裕;川嶋啓揮;藤城光弘;高木 麗弥，重松 大輝，氏原 嘉洋，杉田 修啓，中村 匡徳
• 通讯作者: 高木 麗弥，重松 大輝，氏原 嘉洋，杉田 修啓，中村 匡徳

Imaging of the membrane structure based on second harmonic generation signal

基于二次谐波发生信号的膜结构成像

• 发表时间: 2021
• 作者: Takagi R;Wada H;Ujihara Y;Sugita S;and Nakamura M
• 通讯作者: and Nakamura M