Lipid rafts are cholesterol-rich nano-domain within cellular membranes that are known to have more ordered lateral organization than surroundings. They provide solid supports for a number of membrane associated proteins, thus are deeply associated with diverse cellular processes from signaling transduction pathways to disease developments. However, it is highly challenging to study the physical properties of lipid rafts through actual cells due to their small size and complexity of cell membranes. Therefore, many types of model membrane that mimic the lipid raft have been proposed and extensively studied over past decades.
In this dissertation, we will study the structures and interactions of lipid rafts using the model membrane. Specifically, structures and interactions of lipid rafts in lipid multilayers formed by spin coating method were analyzed by synchrotron X-ray reflectivity, fluorescence imaging and fluorescence correlation spectroscopy. In the first part of the thesis, the structures and phase transition of model lipid multilayer, composed of DPPC and cholesterol which are main components of lipid rafts, were observed by X-ray reflectivity and fluorescence imaging. It is found that the DPPC multilayer undergoes phase transition and the vertical structure changes over cholesterol concentration. As the second part, detailed lateral structure of lipid raft is investigated through the dynamics measurement. We find the unique diffusion dynamics of same DPPC and cholesterol multilayer by using fluorescence correlation spectroscopy and fluorescence recovery after photobleaching. Fast, anomalous and length dependent non-Brownian motion at low cholesterol concentration which might originated from boundary lines between subdomain structure is observed. For the study on the interactions between lipid rafts, the out-of-plane alignment and in-plane growth of raft domains in phase-separating lipid multilayer, which consists DPPC, DOPC and cholesterol, are analyzed. In particular, we revealed that there is specific interaction between the raft domains across the different bilayers using unique ability of $Ca^{2+}$ ion that can control the interlayer spacing. In addition, we suggest novel underlying mechanism how lipid rafts in distinct bilayers can interact each other through molecular dynamics simulation.
지질 뗏목은 세포막에 존재하는 나노도메인으로, 높은 콜레스테롤 함량과 함께 주변부보다 구조적으로 잘 정렬되어 있는 특징을 가지고 있다. 이러한 지질 뗏목은 세포막의 수많은 단백질들이 제 기능을 할 수 있도록 단단한 구조적 받침을 제공해주는 역할을 하는데, 이로 인해 평상적인 세포 활동에서부터 각종 질병의 발병 과정에 이르기까지 매우 다양한 생명 현상과 밀접한 관련을 맺고 있다. 그러나 지질 뗏목의 작은 크기와 세포막의 복잡성 때문에 실제 세포를 이용하여 지질 뗏목을 연구하는 데에는 해결하기 힘든 난관들이 여전히 많다. 따라서 지난 수 십년 간 지질 뗏목의 구조를 모사한 여러 종류의 모델 세포막들이 제시되었고, 이들 모델 세포막을 이용한 지질 뗏목 연구가 활발히 이루어져 왔다.
본 논문에서는 모델 세포막을 이용한 지질 뗏목의 구조 및 상호작용에 관한 연구를 다루고자 한다. 보다 자세히는, 여러 모델 세포막 중 스핀 코팅 방법을 통해 형성된 지질 다중막 내의 지질 뗏목의 구조 및 상호작용을 가속기 X선 반사도 측정, 형광 이미징, 형광 상관 분광법 등을 이용하여 분석하였다. 논문의 첫번째 부분에서는 DPPC와 콜레스테롤로 이루어진 지질 다중막의 구조 및 상전이를 가속기 X선 반사도 측정과 형광 이미징으로 관찰하였다. 이를 통해 콜레스테롤의 농도가 높아지면서 DPPC-콜레스테롤 다중막이 상전이 과정을 거치고, 수직방향의 구조가 변화한다는 것을 알아내었다. 논문의 두번째 부분에서는 첫번째 부분과 같은 DPPC와 콜레스테롤로 이루어진 지질 다중막의 수평방향 구조를 형광 상관 분광법과 광표백 후 형광 복구법을 이용한 동역학 측정을 통해 알아보았다. 그 결과, 낮은 콜레스테롤 농도에서 일어나는 빠르고 비전형적이며, 길이에 의존적인 특성의 비브라운 운동을 관찰하였고, 지질 뗏목 내부의 서브도메인들 사이에 존재하는 경계선 구조가 이러한 특수한 형태의 동역학적 특성을 유도할 수 있다는 것을 밝혀내었다. 마지막 지질 뗏목 간의 상호작용 연구에 관한 부분에서는 보다 복잡한 DPPC-DOPC-콜레스테롤로 이루어진 상분리가 일어나는 모델 세포막에서의 지질 뗏목의 정렬 및 크기 성장을 다루었다. 특히, $Ca^{2+}$ 이온이 가진 다중막의 막간 거리를 조절할 수 있는 능력을 이용하여, 서로 다른 이중막에 있는 지질 뗏목 사이의 상호작용이 지질 뗏목의 정렬 및 크기 성장을 일으킨다는 사실을 최초로 밝혀내었다. 이에 더해, 분자 시뮬레이션 기법을 통하여 서로 떨어져 있는 지질 뗏목들이 상호작용을 할 수 있는 원리를 제시하였다.
