Cell membranes have laterally segregated domains that actively change their size, shape, and compositions, which play an integral role in various biological functions. Although membrane dynamics is a vital part of cellular processes, the complexity of cell membranes has made its fundamental understanding difficult. Even available model membranes cannot be easily prepared and controlled; therefore, the systematic assessment of dynamic membrane behaviors has always been challenging. This thesis aims to figure out physicochemical factors contributing to the fine-controlled dynamic reorganization of cell membranes at a fundamental level. To begin with, we developed a powerful artificial membrane system capable of visualizing the spatiotemporal dynamics of membrane remodeling in real time. By simply using a TEM mesh grid and well-defined air/oil/water interfaces on its grid holes, we realized tens of uniform planar lipid bilayer membranes. The freestanding membranes are large but also highly stable, facilitating direct long-term monitoring of membrane reconstitution caused by external stimuli. Secondly, in order to demonstrate the superiority of our model membrane system, as an example, we investigated the effect of cholesterol trafficking, which is known to significantly affect biophysical properties of the cell membrane at different membrane compositions. Cholesterol transport into and out of the membranes at different rates enabled us to observe interesting phenomena, including cholesterol-mediated phase transition and decomposition, which have never been witnessed before. Lastly, we found the asymmetric membrane remodeling under enzymatic reactions, employing sphingomyelinases that regulate sphingolipid metabolism in cell membranes. We strongly believe that our technique can be broadly applied for exploring the dynamic membrane heterogeneity under various membrane-based reactions, providing valuable insight into the membrane dynamics.
세포막은 크기, 형태 및 조성을 능동적으로 변화시키는 측면으로 분리된 도메인을 가지며, 이는 다양한 생물학적 기능에 필수적인 역할을 한다. 막 역학은 세포 과정의 중요한 부분이지만, 세포막의 복잡성으로 인해 근본적인 이해가 힘들다. 심지어 기존 모델막도 쉽게 제작하고 조절하기 힘들기 때문에, 역동적인 막 거동에 대한 체계적인 평가가 항상 어려웠다. 이 학위 논문은 정교하게 조절되는 세포막의 동적 재구성에 기여하는 기본적인 물리화학적 요소를 파악하는 것을 목표로 한다. 먼저 우리는 막 재구성의 시공간적 역학을 실시간으로 가시화할 수 있는 효과적인 인공 막 시스템을 개발하였다. TEM 그리드와 그리드 구멍에서 잘 정의된 공기/오일/물 계면을 사용하여, 수십개의 균일한 평면 지질 이중막을 구현하였다. 자립형 막은 크기가 크고 매우 안정적이므로, 외부 자극에 인한 막 재구성을 장기적으로 직접 관찰할 수 있다. 두번째로, 우리 모델 막 시스템의 우수성을 입증하기 위한 예로써, 살아있는 세포막의 생물물리학적 특성에 큰 영향을 미치는 것으로 알려진 콜레스테롤 수송의 영향을 다양한 막 조성에서 조사하였다. 막 안밖으로 다른 속도로 수송되는 콜레스테롤은 이전에 목격된 적 없는 콜레스테롤-매개 상전이 및 분리를 포함하는 흥미로운 현상을 관찰할 수 있게 하였다. 마지막으로, 우리는 세포막에서 스핑고지질 대사를 조절하는 스핑고미엘린분해효소를 사용하여 효소반응 하에서 일어나는 비대칭적인 막 재구성을 발견했다. 우리는 우리의 기술이 다양한 막 기반 반응 하에서 일어나는 동적 막 이질성을 탐색하는데 광범위하게 적용될 수 있으며, 막 역학에 대한 귀중한 통찰력을 제공하리라 기대한다.
