A new method to measure compressibility of a vesicle suspension was developed with optical tweezers. By compressibility measurement, we can study about interactions between vesicles. Large unilamellar vesicles were prepared with DOPG, cholesterol and DiI. In the ”optical bottle” created by the IR laser, we observed concentration increase near the beam spot. Using concentration increase versus IR laser intensity results, we developed the method to estimate the trapping energy per particle and virial coefficients. We also calculated compressibility of DOPG vesicle suspension and compared these results with theoretical ideal gas and hard-sphere cases.
길이 수 나노미터의 lipid 분자들로 구성된 bilayer membrane으로 둘러싸인 vesicle은 세포의 기본 형태이며 세포 안에서 물질을 전달하는 역할을 한다. 실험실에서 인공적으로 만들어진 vesicle은 세포의 모델 실험이나 약물 전달에 대한 연구에서 널리 쓰이고 있다. 단백질, 콜레스테롤, 탄수화물 등을 vesicle의 막 사이에 집어 넣거나 표면에 흡착시킴으로써 vesicle 막의 특성이나 vesicle 사이에 작용하는 힘을 바꾸는 것이 가능하며 많은 분야에서 이를 이용 목적에 맞게 제어하는 것이 중요하다.
본 논문은 optical tweezers를 이용하여 vesicle suspension의 compressibility를 측정하는 방법에 대하여 연구하였다. Vesicle 사이의 반발력이 크면 vesicle들이 가까워지기 힘드므로 compressibility가 작은 값을 갖을 것이고 반발력이 작으면 ompressibility가 이상기체를 가지고 계산한 값과 비슷할 것이다. Optical tweezers는 laser의 세기에 따라 작은 물체들을 직접 만지지 않고도 움직일 수 있으므로 이 실험에 적합하다.
실험에는 두 개의 laser가 쓰이는데 적외선 laser는 현미경의 초점에 optical trap을 만들어 vesicle을 끌어 당기고 녹색 laser는 vesicle의 막에 들어있는 형광 물질이 주황색의 빛을 내도록 한다. 지름이 150nm 정도인 vesicle은 현미경을 이용하여 하나하나를 눈으로 볼 수는 없지만 우리는 초점 주변에서 오렌지색 빛의 밝기 변화로부터 vesicle의 농도 및 개수 변화를 측정하였다.
우리는 vesicle의 농도 변화로부터 optical tweezers의 평균 trapping 에너지와 2차 및 3차 virial 계수를 계산하는 방법을 개발하였고 이로부터 compressibility를 계산하였다. 또한 실험 결과로부터 vesicle 간의 삼투압의 크기를 계산하였고 이론적인 이상 기체의 경우, hard-sphere 경우와 비교하였다. Vesicle 사이에는 반발력이 존재하는 것으로 생각되며 이는 DOPG 분자에 의한 vesicle 표면의 높은 전하밀도 때문이라고 생각된다.
앞으로 우리는 static light scattering 실험을 병행하여 optical tweezers를 이용한 결과와 비교하여 신뢰성을 높일 것이다. 그리고 vesicle의 표면 전하밀도, 물 안의 전해질 농도에 따른 전기력 변화에 의한 vesicle 사이의 반발력에 대하여 알아볼 것이다. 막의 딱딱한 정도, 표면에 흡착된 polymer 및 단백질에 의한 영향도 앞으로의 연구 과제이다. 이러한 연구들은 약물 전달 분야 및 실제 세포들의 기능 연구에 기본적인 아이디어를 제공할 것으로 생각한다.