生体膜内における側方枯渇効果によるタンパク質２次元結晶相の形成

由于生物膜的横向耗尽效应而形成二维蛋白质结晶相

• 批准号: 22KJ2451
• 负责人: 須田 慶樹
• 金额: $ 0.64万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2451/
• 关键词: ２次元枯渇効果; バクテリオロドプシン結晶形成; 脂質分子枯渇効果; 膜貫通型タンパク質間相互作用; 生体膜; 脂質分子

昨年度はバクテリオロドプシン(bR)の脂質分子の枯渇効果による結晶形成について理論研究を行った。bRは膜貫通型タンパク質の１種で、生体膜で自発的に２次元結晶を形成する。この結晶形成の駆動力は明らかにされていない。例えば水素結合やイオン結合の形成が考えられるが、構造解析からはこれらの結合は確認されていない。そこで脂質分子の配置エントロピー駆動でbR間に実効引力が生じ、結晶形成が起こるのではないかと考えた。私はbR結晶形成駆動力を明らかにすることにより、他の膜貫通型タンパク質についても膜の中でどのように相互作用し合っているのか解明する糸口になると考え研究を実施した。昨年度の研究目的は修正AOポテンシャルの妥当性の評価である。修正AOポテンシャルについて説明する。脂質分子の枯渇効果によって生じるbR間実効ポテンシャルを計算する手段として、古くから、AOポテンシャルがある。しかし、AOポテンシャルは脂質を理想気体として近似しており、脂質分子間の斥力の効果が取り入れられていないという欠点がある。そこで脂質間斥力の効果を取り込んだ修正AOポテンシャルを考案した。熱力学摂動理論と修正AOポテンシャルを用いてヘルムホルツ自由エネルギーを計算し、共通接線法からbRの相図を得た。本研究で用いた理論とは、その枠組みが異なるfree volume theoryから求めたbRの相図と比較した。その結果、両者はとても良い一致を示した。このことから、修正AOポテンシャルの妥当性を示すことができた。更に、AOポテンシャルから計算されたbRの相図と修正AOポテンシャルから計算された相図を比較した。修正AOポテンシャルから求められた相図の方が低い脂質充填率でbRが結晶形成を開始し、実験結果と半定量的に一致した。このことは、脂質分子間の斥力がbR間実効相互作用を強め、結晶形成を促進していることを示している。

去年，我们对细菌视紫红质（bR）由于脂质分子的消耗效应而形成的晶体进行了理论研究。 bR是一种跨膜蛋白，可在生物膜中自发形成二维晶体。这种晶体形成的驱动力尚未阐明。例如，考虑了氢键或离子键的形成，但这些键尚未通过结构分析得到证实。因此，我们假设脂质分子的构型熵可能在bR之间产生有效的吸引力，从而导致晶体形成。我进行这项研究时认为，阐明 bR 晶体形成的驱动力将为其他跨膜蛋白如何在膜内相互作用提供线索。去年研究的目的是评估修改后的 AO 潜力的有效性。我们将解释修改后的 AO 势。 AO电势长期以来一直被用作计算由脂质分子的消耗效应引起的bR之间的有效电势的手段。然而，AO势将脂质近似为理想气体，其缺点是没有考虑脂质分子之间的排斥作用。因此，我们设计了一种结合了脂质排斥效应的改良 AO 电位。利用热力学微扰理论和修正的AO势计算亥姆霍兹自由能，并通过公切线法得到bR的相图。我们比较了从自由体积理论获得的 bR 相图，该理论与本研究中使用的理论具有不同的框架。结果显示两者之间非常吻合。由此，我们能够证明修改后的 AO 势的有效性。此外，我们还比较了根据 AO 势计算出的 bR 相图与根据修改后的 AO 势计算出的相图。从修改后的AO势获得的相图显示bR在较低的脂质负载率下开始形成晶体，这与实验结果半定量一致。这表明脂质分子之间的排斥作用增强了bR之间的有效相互作用，促进了晶体的形成。

项目成果

脂質分子の枯渇効果によるバクテリオロドプシン２次元結晶形成の検討

由于脂质分子的消耗效应而检查细菌视紫红质二维晶体的形成

• 发表时间: 2023
• 作者: 石田紘一朗;近藤哲男;須田慶樹
• 通讯作者: 須田慶樹

Two dimensional ordering of bacteriorhodopsin driven by lateral depletion force of lipid molecules

脂质分子横向耗尽力驱动细菌视紫红质的二维排序

• 发表时间: 2022
• 作者: 石田紘一朗;近藤哲男;須田慶樹;Keiju Suda;Keiju Suda
• 通讯作者: Keiju Suda