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，由于细菌紫红素（BR）脂质分子的耗竭作用，我们对晶体形成进行了理论研究。 BR是一种跨膜蛋白，在生物膜上自发形成二维晶体。这种晶体形成的驱动力尚未澄清。例如，可以形成氢键和离子键，但是这些键尚未通过结构分析确认。因此，我们认为由于脂质分子的熵而导致BRS之间的有效吸引力，从而导致晶体形成。我进行了研究思考，即通过阐明BR晶体形成的驱动力，这将是阐明其他跨膜蛋白如何在膜上相互作用的线索。去年研究的目的是评估修订的AO潜力的有效性。修改后的AO潜力得到了解释。长期以来，AO电位已被用作计算脂质分子耗竭作用引起的BR之间的有效电位的一种手段。但是，AO电势将脂质近似为理想气体，并且有一个缺点，即未纳入脂质分子之间排斥的影响。因此，我们设计了一种经过修改的AO电势，该电势融合了互抑制的效果。热力学扰动理论和修饰的AO电位用于计算Helmholtz自由能，并通过常见的切线方法获得BR的相图。将这项研究中使用的理论与从自由体积理论获得的BR的相图进行了比较，该理论在其框架上有所不同。结果，两者表现出非常好的协议。这显示了修改后的AO电位的有效性。此外，比较了根据AO电位计算得出的BR相图和根据修改的AO电势计算得出的相图。从修改的AO电势获得的相图以较低的脂质填充速率开始晶体形成，从而与实验结果达成半定量一致。这表明脂质分子之间的排斥增强了BRS之间的有效相互作用并促进了晶体的形成。

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