ソフトマター物理による生体分子秩序形成の解明

高木研究室　TAKAGI Laboratory
講師：下川 直史（Shimokawa Naofumi）

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［研究分野］
ソフトマター物理、生物物理、界面化学
［キーワード］
脂質膜、ベシクル、リポソーム、秩序形成、相分離、相転 移、自己組織化、シミュレーション

研究を始めるのに必要な知識・能力

必要となる前提知識は特に求めません。生物に対して、物理・化学のアプローチを用いて研究していますので、自分の得意な分野を研究で活かしてもらうことを望みます。物理・化学・生物以外の分野からでも研究に取り組めるよう配属後は丁寧に指導していきます。

この研究で身につく能力

生体分子に対して、物理・化学の手法を用いますので、物理・化学・生物について広く学んでもらいます。実験においては、知りたいことに対してどのような実験をすればよいかといった計画の立て方、得られた結果から分子レベルで何が起きているかをイメージする訓練、わからない課題に対する文献検索方法、結果や成果を分かりやすく伝える資料作成やプレゼンテーション方法を磨いてもらいます。

【就職先企業・職種】 化粧品、化学、食品など

研究内容

　高分子・液晶・コロイド・両親媒性分子・生体分子などはソフトマターと呼ばれており、その基礎物性、非平衡条件下での振る舞いなどは物理学から興味を集めています。生体内での重要な分子や構造の多くはソフトマターに大別されるため、ソフトマター物理は生体機能の理解において強力なツールとなります。代表的な両親媒性分子であるリン脂質は水中で自発的に脂質二重膜構造を形成し、細胞膜・生体膜と同一の構造となります。我々はこの脂質二重膜で起きる秩序形成を物理化学的に解き明かし、細胞膜・生体膜での生物学的機構の理解に繋げることを目標にしています。

1．静電相互作用が支配する秩序形成

　負に帯電したリン脂質は膜電位の発生、タンパク質の吸着、チャネルの活性などにおいて重要な働きをしていますが、それらが膜の秩序形成においてどのような働きをしているかについては十分に理解されていません。我々は負に帯電したリン脂質と膜面での相分離現象・膜変形との関係を実験・理論計算・計算機シミュレーションにより多角的に研究を進めています。実験では負電荷脂質 間の静電反発や溶液中にある正の電荷を有した分子と負電荷脂質との静電引力などをコントロールし、様々な秩序構造を形成することを目指しています。理論では自由エネルギー計算に基づき、静電相互作用が相挙動に及ぼす影響を考察しています。シミュレーションは粗視化分子動力学シミュレーションを用いて負電荷脂質の振る舞いや他の荷電分子との相互作用に関して調べています。

2．添加分子が支配する秩序形成

　脂質膜へ様々な分子を添加し、その際に形成される秩序構造の違いから添加分子の効果を明らかにする研究を行っています。例として、パルミチン酸やオレイン酸などの脂肪酸を膜に添加した際の相分離構造、膜変形の様子を実験により観察しました。脂肪酸は生活習慣病をはじめとする様々な疾病との関係性が議論されており、特にコレステロールの増減とリンクしていると考えられています。我々はコレステロールと脂肪酸との相互作用が秩序構造形成においてどのような働きを担っているかを考察しています。

主な研究業績

1. N. Shimokawa, R. Mukai, M. Nagata, M. Takagi, “Formation of modulated phase and domain rigidification in fatty acids-containing lipid membranes” Phys. Chem. Chem. Phys., 19, 13252 (2017)
2. N. Shimokawa, H. Himeno, T. Hamada, M. Takagi, S. Komura, D. Andelman, “Phase diagrams and ordering in charged membranes: Binary mixtures of charged and neutral lipids” J. Phys. Chem. B, 120, 6358 (2016).
3. H. Himeno, H. Ito, Y. Higuchi, T. Hamada, N. Shimokawa, M. Takagi, “Coupling between pore formation and phase separation in charged lipid membranes” Phys. Rev. E, 92, 062713 (2015).

使用装置

共焦点レーザー顕微鏡
蛍光、位相差顕微鏡
示差走査熱量測定装置
ラングミュア単分子膜製膜装置
並列計算機群