부산대학교 도서관

세포막은 인지질, 콜레스테롤, membrane protein과 같은 다양한 구성 성분으로 구성되어 있다. 이러한 구성 성분의 조성은 세포막에서 공간적으로 불균일한 분포를 갖는다. 이들의 조성 뿐만 아니라, 동역학적 성질 또한 불균일한 성질을 갖는다는 것이 잘 알려져 있다. 세포막을 이루는 구성 성분들은 세포막의 수평 방향으로의 이동성을 갖는 lateral diffusion을 한다. 동역학적 불균일성은 lateral diffusion이 빠른 영역과 느린 영역이 명확히 구분되는 것을 의미한다. 지금까지, 이러한 동역학적 불균일성은 조성의 불균일성으로부터 발생 한다는 개념이 지배적으로 받아들여져 왔다. 하지만, 최근 시뮬레이션 연구를 통해 단일 성분 membrane에서도 동역학적 불균일성이 존재한다는 것이 밝혀졌다. Starr group에서 수행한 연구 [1] 에 따르면, 단일 성분 lipid membrane은 liquid ordered (LO) phase에서 동역학적 불균일성이 존재한다. 본 연구는, 조성의 불균일성이 동역학적 불균일성의 원인이 된다는 기존의 관점을 깨는 결과를 가져왔다. 하지만 Starr group이 사용한 lipid model은 solvent가 없고, lipid 분자를 세 개의 구로 표현한, 매우 간단한 model이다. 그 결과, lipid의 회전, 물과의 수화 정도 등등의 분자수준의 분석을 수행할 수 없었다. 따라서 우리는 동역학적 불균일성과 lipid분자의 회전, 물과의 수화 정도, 시뮬레이션의 system size과의 연관성을 연구하였다. 단일성분 lipid membrane은 MARTINI force field를 사용하여 구성하였고, 추가적인 물 model로 BMW를 사용하여, 수화 정도에 따른 동역학적 불균일성의 영향을 연구하였다. 세가지 서로 다른 system size (L = 5nm, 10nm, 20nm)를 사용하여 system size와 동역학적 불균일성의 관계를 연구하였다. 우리는 모든 system size에서 동역학적 불균일성을 발견하였다. 하지만 상변이 온도는 모델에 따른 영향을 크게 받는다는 것을 발견하였다. Lipid분자의 회전 운동에 있어서도, 동역학적 불균일성이 존재한다는 것을 발견하였다. 또한 LO phase 에서의 lipid 분자는 swinging motion에 의한 확산을 한다는 것을 발견하였다.
Biological membranes are composed of various different types of molecules such as phospholipids, cholesterols and membrane proteins. The composition of lipids membrane is spatially heterogeneous in cellular membranes. Not only its composition but also its dynamics becomes spatially heterogeneous, which means that there are distinct regions of fast and slow dynamics of lipids. Currently, it has been considered that the heterogeneous membrane composition induces the dynamic heterogeneity of lipid membranes. However, recent simulation study observed dynamic heterogeneity in single component lipid mem- branes at liquid ordered (LO) phase [1]. From this observation, new paradigm that the compositional heterogeneity is not essential for dynamic heterogeneity of lipid membranes has been suggested. The simulation model used by Starr et. al. is too coarse-grained to observe molecular details such as interaction with hydration water and rotational dynam- ics. In this work, we systematically investigate how the lipid heterogeneous dynamics is affected by finite system size and model of water. Single component lipid bilayers are constructed using MARTINI force field and three different water models (Big Multipole Water, Polarizable MARTINI, LJ MARTINI) and three different system sizes (L = 5nm, 10nm and 20nm). We find out that dynamic heterogeneity can be observed for single com- ponent lipid bilayers when membranes form liquid ordered phase at all system size. But the phase transition temperature of lipid membranes with BMW model is lower then that with MARTINI model. And the size of region is dependent on the system size significantly. We also find out that the diffusion mechanism of lipids at LO phase follows swinging motion with is accompanied by both of rotational and translational hopping motion.