One of the main functions of the cellular membranes is to control the transport of various molecules into and out of cells. Especially, the ions having hydrophobic parts can adsorb on and transport through the lipid bilayer without the aid of protein ion channels. We have studied the adsorption and transport dynamics of the hydrophobic cationic dyes (Malachite Green: MG) in the anionic liposome bilayer made of unsaturated (DOPG: Dioleoyl-phosphatidylglycerol) and saturated (DSPG: Distearoyl-phosphatidylglycerol) lipids by using a nonlinear optical technique called second harmonic generation (SHG). Because the SH field is proportional to the difference between the surface density of dye molecules on the outer and inner surfaces of the liposome bilayer, we could obtain the nondestructive and in-situ information about the adsorption and transport of dyes in the liposome bilayers by monitoring the time dependence of the SH signal.
Although the main driving force for the adsorption of dyes is the electrostatic interaction, it could be also affected by the non-electrostatic hydrophobic interaction between dyes and the tail parts of the lipid. The transport rate of dyes across the liposome bilayer significantly depends on the ordering of the hydrophobic tail parts of the lipid bilayer. By using parameters such as the dye concentration, temperature, structure of lipids (using unsaturated DOPG or saturated DSPG lipids), or salt (NaCl) concentration, we could change the transport rate of dyes. The transport rate was an exponentially increasing function of the dye concentration, and it significantly increases with the temperature increase in the unsaturated liposome made of DOPG lipids. The dependence of the transport rate on the temperature in the dilute limit of the dye concentration could be explained by the free volume model, which was confirmed by the experiments on the saturated liposome made of DSPG lipids. In the DSPG liposome, dyes could not transport across the liposome bilayer at room temperature at which the DSPG liposome is in a gel phase. As the temperature increased, dyes started to transport into the DSPG liposome at above the gel-to-fluid phase transition temperature. From these results, we can ascertain that the mechanism by which the hydrophobic ion transport across the liposome bilayer can be explained by the free volume theory.
세포막의 중요한 기능 중 하나는, 여러 가지 물질들을 세포 안팎으로 선택적으로 투과시키는 것이다. 특히 소수성 부분을 가지고 있는 ion들은, 단백질 등으로 이루어진 ion channel의 도움 없이도 순수 인지질 이중막으로만 이루어진 세포막을 통과할 수 있다. 이 논문에서는 Malachite Green이라는 소수성 cationic dyes 분자가, Dioleoyl-phosphatidylglycerol (DOPG) 또는 Distearoyl-phosphatidylglycerol (DSPG)라는 인지질로 만들어진 anionic 리포좀 이중막에 흡착 또는 투과하는 현상의 메카니즘을, second harmonic generation (SHG) 이라는 비선형 광학 기술을 이용하여 연구하였다. SH field의 세기는 리포좀 이중막의 안쪽 표면과 바깥쪽 표면에 흡착한 dye 분자 개수의 차이에 비례하기 때문에, SH 신호의 시간에 따른 변화를 관찰함으로써 리포좀 이중막에 흡착하고 통과하는 dye 분자들의 개수에 대한 비파괴적, 실시간 정보를 얻을 수 있다.
실험 결과, dye 분자들의 흡착은 주로 전자기적 상호작용에 의해 이루어졌지만, dye 분자와 인지질 tail 부분 사이의 hydrophobic interaction에 의해서도 영향을 받았다. 한편, dye 분자들이 리포좀 이중막을 통과하는 속도(transport rate)는 인지질 이중막을 구성하는 인지질 분자들의 hydrophobic tail 부분의 ordering과 밀접한 관련이 있었다. 이 실험에서는 dye 농도, 온도, 리포좀을 구성하는 인지질 분자들의 구조(saturated or unsaturated), 또는 salt 농도 등을 바꿔줄 때 dye 분자들의 transport rate 변화를 관찰하였다. DOPG 인지질로 만들어진 fluid phase의 liposome의 경우, transport rate는 dye 농도가 증가함에 따라 exponential하게 증가하였고, 같은 dye 농도에서는 온도가 증가함에 따라 transport rate도 크게 증가하였다. dye 농도가 0으로 갈 때의 transport rate 값은 온전히 온도만의 함수로 나타날 수 있고, 이때 온도와 transport rate 사이의 관계는 free volume theory로 설명될 수 있었다. 이 모델의 타당성은 DSPG 리포좀에서의 실험으로도 확인될 수 있는데, DSPG 리포좀이 gel phase로 존재하는 상온에서는 dye가 리포좀 막을 통과할 수 없다가, 온도가 증가하여 DSPG 리포좀이 gel phase에서 fluid phase로 전환되는 순간부터 dye가 리포좀 막을 통과함이 관찰되었다. 이러한 결과들로부터 소수성 ion들이 리포좀 이중막을 통과하는 메카니즘은 free volume theory로 설명될 수 있다는 것을 확인할 수 있었다.
