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Jun 09, 2023

コレステロールのエントロピー反発

Nature volume 618、pages 733–739 (2023)この記事を引用 12k アクセス 76 Altmetric Metrics の詳細 接着の制御は、生物物質の顕著な特徴であり、以下に関して特に興味深い

Nature volume 618、pages 733–739 (2023)この記事を引用

12,000 アクセス

76 オルトメトリック

メトリクスの詳細

接着の制御は生物物質の顕著な特徴であり、技術的変換に関して特に興味深い1、2、3。 私たちは、コレステロール層の界面配向変動によって引き起こされるエントロピー反発が、タンパク質の吸着と細菌の付着を制限することを発見しました。 さらに、本発明者らは、少量（10重量％未満）のコレステロールを含む場合、本質的に接着性のワックスエステル層が同様に抗生体接着性になることを発見した。 湿潤、吸着、接着の実験、および原子論的シミュレーションにより、反発特性は、拘束されていない超分子集合体の界面で微妙にバランスのとれた変動する再配向をコード化するコレステロールの特定の分子構造に依存することが示された。つまり、微細な分子変化のみが異なるコレステロール類似体の層である。は、著しく異なる界面移動性を示し、癒着防止効果はありませんでした。 また、配向的に固定されたコレステロール層は生体接着に抵抗しませんでした。 私たちの洞察は、バイオ界面に関する概念的に新しい物理化学的観点を提供し、接着制御における将来の材料設計を導く可能性があります。

生命は接着を制御するための強力な原理を数多く進化させてきましたが、その一部は人工材料で再現されています。 顕著な例としては、神聖な蓮の超疎水性の葉 1 やウツボカズラのピッチャー植物の全面疎水性の表面 2 が挙げられます。 自然界の界面現象は広く研究されていますが、生体接着、つまり生体高分子と細胞（細菌を含む）の界面蓄積の制御の基礎となる物理的メカニズムはまだ完全には理解されていません。 我々は以前、トビムシのオムニフォビックで抗生接着性のクチクラ（図1a）を調査し、それが濡れと細菌の定着を防ぐ張り出した断面プロファイル（図1b、c）を持つナノスケール構造で構成されていることを発見しました3、4、5、6。 その後、生体付着に対するもう一つの「防御線」として機能すると考えられているトビケラのクチクラの脂質に富んだエンベロープ（図1c）には、脂肪族炭化水素、特にステロイド、脂肪酸、ワックスエステルが含まれていることが示されました（図1dおよび図1c）。拡張データ 図1)7． ワックスエステルはクチクラの非湿潤特性をサポートすると合理的に推測できますが、ステロイドと脂肪酸の役割は依然としてわかりません。 遊離脂肪酸は細菌や真菌を殺すか、その増殖を阻害することが報告されており9,10、ステロイドは海綿体やヒトデへの生体付着を減少させることがわかっています11。 しかし、ステロイドのこの効果のメカニズムの説明はありません。 トビムシのクチクラの両親媒性脂質成分は、分子機械の区画化と機能的整列において重要な役割を果たす動物細胞や細菌細胞の膜にも含まれています12。 特にコレステロールは包括的に研究されており、その存在は機能的な脂質ドメインの制御およびタンパク質と脂質間の相互作用にとって重要であると考えられています13。 しかし、細胞膜以外の生体構造の界面におけるコレステロールの機能的関連性は十分に研究されていません。

a、典型的なトビムシ属である Tetrodontophora bielanensis の画像。 スケールバー、1 mm。 b、T. bielanensis クチクラの走査型電子顕微鏡画像。 スケールバー、500 nm。 c、クチクラの断面図。タンパク質に富んだ層で覆われたキチンに富んだ内部骨格からなる層状構造を示しています。 薄い脂質豊富なエンベロープがタンパク質豊富な層を覆っています。 スケールバー、200 nm。 d、T. bielanensis の外クチクラ層で検出された脂質の概要 7。 e、トビムシのクチクラ脂質の層。 コレステロールを含むSCLは、環境の極性に対する最上位の脂質の方向性の適応を促進します。 ATR-FTIR（補足図2）および動的接触角測定（図2cおよび拡張データ図4a）は、コレステロール外側層の炭化水素尾部が最初は界面に向かって配向され、ヒドロキシル基が配向された、高度に秩序化されたコレステロール分子を示しています。内側に。 SAMは、コレステロールの極性側または非極性側が界面に配向され、チオール基を介して金に化学吸着され、選択された実験の参照として機能しました。 f – i、タンパク質の吸着量（f、i）と正規化された接着細胞（g、h）。 水晶微量天秤測定によって測定された、トビムシのクチクラ脂質の単成分層 (f) およびパルミチン酸ステアリルとコレステロールの多成分 SCL (i) 上のタンパク質 (リゾチームまたはウシ胎児血清) の吸着量。 トビムシのクチクラ脂質の単成分層（g）およびパルミチン酸ステアリルとコレステロールの多成分SCL（h）上の表皮ブドウ球菌の正規化接着細胞。 シリカ (SiO2) 基板上の平均接着細胞密度に正規化されたデータ。 h、i、純粋なパルミチン酸ステアリル SCL (100/0) および純粋なコレステロール SCL (0/100) は、それぞれ陰性および陽性対照として機能しました。 f–i, Mean + sd 観測値の数 (n) が示されます。 P値（f、gではコレステロールSCL条件との比較、h、iでは0/100条件との比較）は、一元配置分散分析を使用して決定されました。 AU、任意の単位。