Cell membranes, which consist of phospholipid bilayers, play important roles in cells as barriers for maintaining concentrations and matrices to host membrane proteins. During cellular processes such as endo- and exo-cytosis, cell fission and fusion, the cell membranes undergo various morphological changes which are mainly governed by the interplay between protein and lipid membranes. A number of mechanisms have been proposed for protein-induced membrane deformations, including insertion of amphipathic helices, direct or indirect scafolding, and oligomerization of membrane proteins which change membrane curvature. However, it is not well exploited how the elastic properties of membranes, which play a key role in membrane deformation, are affected by the protein-membrane interactions. Therefore, to understand cell functions related protein-membrane interactions, in terms of the elastic properties of the membrane, is an important step toward elucidating the mechanisms of protein functions in membranes. A well-known example of protein-membrane interaction is the activity of antimicrobial peptides. Such peptides associate with a lipid bilayer in two distinct ways. At low peptide to lipid molar ratio P/L, the peptides adsorb horizontally to the surface of membrane and above a threshold concentration P/$L^{*}$, the peptides begin to insert into the membrane, forming trans-membrane pores. Here, we report, for the first time, the thermal fuctuation and elasticity of dioleoyl phosphocholine large unilamellar vesicle membranes interacting with pore-forming peptides, melittin, which were measured by in-situ neutron spin echo spectroscopy (NSE). The relaxation behavior of the intermediate dynamic structure factors of the membrane at different P/L can be divided into three regions, resulting from characteristic changes of the effective bending modulus $\tilde{\kappa}$ ($\tilde{\kappa}$ = $\kappa+d^{2}\it{k}$ is the bending modulus, $\it{d}$ is the height of the neutral surface from bilayer midplane and $\it{k}$ is the bilayer compressibility modulus.) which includes the effects of internal dissipation within the membrane. $\tilde{\kappa}$ at different P/L are determined from the measured NSE data using the extended Zilman-Granek model (M. C. Watson and F. L. H. Brown, Biophys. J. 98, L9, 2010), and the bending modulus $\kappa$ and the bilayer compressibility modulus k are estimated from the measured $\tilde{\kappa}$ in a semi-quantitative manner. When $P/L \lt P/$L^{*}$$, $\kappa$ and $\it{k}$ decrease signifficantly due to perturbation of chain packing. When $P/L \gt P/L*$, $\kappa$ and $\it{k}$ start to increase slightly possibly due to the high modulus of pores. At higher P/L where inter-pore interaction becomes significant due to a higher population of pores, $\kappa$ and k increase rapidly. The results of this study are expected to play an important role in understanding the elastic behavior and morphological changes of cell membranes induced by protein-membrane interactions, and may provide new insights for developing new theoretical models for membrane fuctuations which include the membrane-mediated interactions between protein patches.
세포막 (cell membrane)은 세포질 (cytoplasm)의 농도를 유지하는 장벽 역할을 하며, 다양한 기능을 하는 막 단백질 (membrane protein)이 결합되어있는 세포의 중요한 기본단위이다. 세포분열과 세포 융합과 같은 대부분의 세포 현상에서 세포막은 다양한 형태변화과정을 거치는데 여기서 세포막의 기본구조인 인지질 이중막 (phospholipid bilayer)과 단백질간의 상호작용이 주요한 역할을 하고있다. 이러한 단백질에 의한 막의 변형을 설명하는 다양한 매커니즘이 지금까지 소개되어왔으나 단백질과 인지질 막의 상호작용이 막의 변형을 결정하는 중요한 인자인 막의 탄성특성에 어떠한 영향을 미치는가에 대해서는 아직 충분히 연구되지 않은 상태이다. 따라서, 단백질과 인지질 이중막의 상호작용을 막 탄성계수의 관점에서 이해하려는 시도는 세포의 기능을 이해하기 위한 필수적인 단계로 볼 수 있다. 단백질과 인지질 막의 상호작용에 의한 세포막의 변형에 관한 대표적인 예로서, 고등 생물의 체내에 존재하는 항균 펩타이드 (antimicrobial peptide)가 항균 작용의 일환으로 박테리아 등의 외부 침입자의 세포막에 pore를 형성함으로써 침입 세포를 죽이는 작용이 알려져 있다. 이러한 항균 펩타이드 (대체로 인지질 이중막의 두께에 해당하는 길이를 가진 $\alpha$-helical 구조)의 작용은 두 단계로 이루어진다. 인지질 이중막 상의 낮은 표면 농도 (펩타이드와 인지질의 몰 비, P/L)에서 펩타이드는 막 표면에 평행하게 달라 붙어 있다가, P/L이 임계 농도 P/$L^{*}$ 를 넘어서면 펩타이드는 인지질 이중막에 pore를 만들기 시작한다. 본 연구에서는 모델 시스템으로서 중성 인지질 이중막, dioleoyl phosphocoline (DOPC) 으로 이루어진 단층 베시클 (unilamellar vesicle)과 이와 상호작용하는 항균 펩타이드, 멜리틴 (melittin)을 선택하였고, 중성자 스핀 에코 분광법 (neutron spin echo spectroscopy, NSE)을 이용하여 멜리틴 농도에 따른 DOPC 인지질 막의 열요동 (thermal fluctuation)과 탄성계수 변화를 세계에서 처음으로 체계적으로 규명하였다. 멜리틴과 상호작용하는 DOPC 베시클 이중막의 Intermediate dynamic structure factor의 시간에 따른 이완 양상은 P/L에 따라 세가지 서로 다른 영역으로 나뉘어지며, 각 영역별로 특징적인 효과 굽힘계수 (effective bending modulus, $\tilde{\kappa}$ ($\tilde{\kappa}$ = $\kappa+d^{2}\it{k}$ 여기서 $\kappa$는 이중막의 굽힘계수, $\it{d}$ 는 이중막의 중앙면에서 중립면까지의 높이, $\it{k}$ 는 이중막의 압축계수.)의 변화가 나타났다. 측정된 NSE 데이터 분석을 위하여 기존의 solvent로의 dissipation 이외에 열요동과정에서 이중막 내부로의 dissipation이 고려된 extended Zilman-Granek 모델 (M. C. Watson and F. L. H. Brown, Biophys. J. 98, L9, 2010)이 적용되었고, 이로부터 각 P/L에 대한 효과 굽힘계수 $\tilde{\kappa}$가 얻어졌다. 측정된$\tilde{\kappa}$로 부터 막 탄성계수 \kappa 와 압축계수 $\it{k}$가 획득되었다. 펩타이드 표면흡착 단계, 즉 $P/L \lt P/$L^{*}$$, 에서는 P/L 증가에 따라 인지질 체인 간 결합을 약화시키는 표면흡착 펩타이드의 숫자가 증가하여 인지질 이중막의 $\kappa$와 $\it{k}$가 감소한다 (막이 부드러워짐). 펩타이드가 pore를 형성하기 시작하는 단계, 즉 $P/L \gt P/L*$, 에서는 인지질 막에 비하여 훨씬 단단한 특성을 가진 pore의 수가 증가하므로 $\kappa$와 $\it{k}$가 서서히 증가한다 (막이 점차 단단해짐). 보다 높은 P/L에서는 pore 밀도가 크게 높아져 인접 pore 간의 반발력이 급격히 증가하고 이로 인해 $\kappa$와 $\it{k}$가 현격히 증가한다 (막이 급격히 단단해짐). 본 연구 결과 중, 특히 pore 간 반발력 증가에 따른 막이 단단해지고 (굽힘계수와 압축계수의 증가) 열요동이 급격히 감소 현상은 대단히 흥미롭다. 본 연구 결과는 막 단백질 간의 상호작용까지 고려하는 막 열요동과 굽힘계수에 관한 이론적 모델 개발과 더불어, 이와 관련된 생물학적 세포작용에 대한 심층적 이해에 기여할 것으로 예상된다.
