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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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．