Cell-penetrating peptides (CPPs) are short cationic peptides that can transverse the plasma membranes along with various cargo molecules. Although successful intracellular delivery of many bioactive compounds has been achieved using CPPs, their internalization mechanisms is poorly understood. Here, we directly visualized the action of the cationic peptides on planar freestanding model lipid membrane composed of DOPC/DMPC/DMPG /cholesterol, to investigate the influence CPP on the phase behavior of the membrane containing anionic lipid DMPG. We showed that the synthesized CPP, poly-5-trimethylammoniumpentoxybenzoyl-L-lysine, preferentially binds to the anionic lipid DMPG-rich domains, and causes dissolving of DMPG-rich domains by steric interaction between the bound peptides. At the same time, in DOPC-rich phase, new DMPG-rich domains were formed as a consequence of lateral segregation of lipids by electrostatic interaction between lipids and peptides. These results suggest that the peptide-induced phase behavior can be influenced not only by the peptide properties but the local composition of the membrane.
세포 투과 펩타이드는 세포막을 투과할 수 있는 짧은 양이온성 펩타이드로, 다양한 분자를 세포 내로 전달할 수 있다. 세포 투과 펩타이드를 사용하여 많은 생물 활성 물질의 세포 내 전달이 성공적으로 이루어졌지만, 이들의 내재화 메커니즘은 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 DOPC /DMPC/DMPG/cholesterol로 구성된 자립형 평면 모델 지질막을 사용하여, 음전하성 지질 DMPG와 세포 투과 펩타이드간의 상호작용이 막의 상 거동에 미치는 영향을 실시간으로 가시화하여 분석했다. 합성된 세포 투과 펩타이드인 poly-5-trimethylammoniumpentoxybenzoyl-L-lysine이 음이온성 지질 DMPG가 풍부한 도메인에 결합하고, 펩타이드 간의 입체적 상호작용에 의해 해당 도메인의 용해를 일으킴을 확인했다. 동시에 DOPC가 풍부한 도메인에서는, 지질과 펩타이드 간의 정전기적 상호작용에 의한 지질의 측면 분리를 통해 새로운 도메인이 생성됨을 관찰했다. 이 결과는 펩타이드에 의해 유도된 상 거동이 펩타이드의 특성뿐만 아니라 막의 국부적 구성에 의해서도 영향을 받을 수 있음을 시사한다.
