JP2011022076A - System and method for measuring film protein function - Google Patents

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陽一 篠崎
Koji Sumitomo
弘二 住友
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奈保子 河西
Hiroshi Nakajima
寛 中島
Keiichi Torimitsu
慶一 鳥光
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for measuring a film protein function capable of activating a film protein by the extension of a lipid bimolecular membrane and measuring the relationship between variations in density of a receptor in the lipid bimolecular membrane by the extension and activity, by the reconfiguration of the film protein in a lipid bimolecular membrane that is developed on a micropore, and a method for the same. <P>SOLUTION: The system 1 for measuring a film protein includes a film protein function measuring substrate 10A in which the opening 11a of a hole 11 on a substrate body 12 with the hole 11 is covered with the lipid bimolecular membrane 14 containing the film protein 13 and a buffer solution 15 is arranged on the lipid bimolecular membrane 14 and an extending means 20 for extending the lipid bimolecular membrane 14. Also, the method for measuring a film protein uses the system 1 for measuring a film protein. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、膜タンパク質機能測定システムおよび膜タンパク質機能測定方法に関する。   The present invention relates to a membrane protein function measuring system and a membrane protein function measuring method.

タンパク質をはじめとする生体分子の機能を理解する上で、その構造を知ることは不可欠である。生体分子が機能する際には、外界(細胞外)からの刺激に伴いその構造を変化させことでその機能を発揮する。   To understand the functions of biomolecules including proteins, it is essential to know their structures. When a biomolecule functions, it functions by changing its structure in response to a stimulus from the outside (extracellular).

タンパク質、脂質、核酸などの生体分子の構造を生体内に近い条件で観察できる手法としては、水溶液中で観察が可能な走査プローブ顕微鏡、特に原子間力顕微鏡(AFM)を用いる方法が広く用いられている。近年、AFMの技術は非常に進歩しており、生体分子の構造解析、および溶液中に添加した低分子化合物やペプチドの結合による生体分子の動的な構造変化の観察への更なる貢献が期待されている。
AFMを用いた測定装置及び測定方法としては、例えば、溶液中において分子レベルまたは原子レベルの分解能が達成された測定装置および測定方法(非特許文献1)や、ビデオレートでの観察を可能とする測定装置(非特許文献2)が挙げられる。
As a technique for observing the structure of biomolecules such as proteins, lipids, and nucleic acids under conditions close to those in the living body, a method using a scanning probe microscope that can be observed in an aqueous solution, particularly an atomic force microscope (AFM) is widely used. ing. In recent years, the technology of AFM has greatly advanced, and further contributions to the structural analysis of biomolecules and the observation of dynamic structural changes of biomolecules due to the binding of low molecular compounds and peptides added to the solution are expected. Has been.
As a measuring apparatus and measuring method using AFM, for example, a measuring apparatus and measuring method (non-patent document 1) in which resolution at a molecular level or atomic level is achieved in a solution, or observation at a video rate is possible. A measuring device (nonpatent literature 2) is mentioned.

生体分子が外界から受ける刺激としては、一部の膜タンパク質では細胞膜の伸展が挙げられる。該膜タンパク質では、細胞膜の伸展によっても活性化され、リン酸化や、カルシウムイオンの透過などの生理活性を示すことが知られている(非特許文献3〜5)。これらの膜タンパク質以外にも、細胞膜の伸展によって活性化するタンパク質が存在する可能性がある。
また、一部の受容体に関しては、受容体密度と活性に相関があることが知られており(非特許文献6)。そのため、近傍の受容体同士の距離と、その機能との関係を詳細に分析し、その関係を明らかにすることも重要である。
しかし、細胞膜の伸展や、受容体同士の距離の変化によるタンパク質の活性化を詳細に評価する測定システムはなく、細胞膜の伸展により活性化する新たなタンパク質を探索することも、受容体同士の距離とその機能の関係を詳細に分析することも困難である。
Examples of stimuli that biomolecules receive from the outside world include cell membrane extension in some membrane proteins. It is known that the membrane protein is activated by cell membrane extension and exhibits physiological activities such as phosphorylation and calcium ion permeation (Non-Patent Documents 3 to 5). In addition to these membrane proteins, there may be proteins that are activated by cell membrane extension.
In addition, it is known that some receptors have a correlation between receptor density and activity (Non-patent Document 6). For this reason, it is also important to analyze the relationship between the distance between neighboring receptors and the function in detail and clarify the relationship.
However, there is no measurement system for detailed evaluation of cell membrane extension and protein activation due to changes in the distance between receptors. Searching for new proteins that are activated by cell membrane extension can also be performed by measuring the distance between receptors. It is also difficult to analyze the relationship between the function and its function in detail.

T. Fukuma, M. J. Higgins, S. P. Jarvis, Direct imaging of lipid-ion network formation under physiological conditions by frequency modulation atomic force microscopy. Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 10601-10603.T. Fukuma, M. J. Higgins, S. P. Jarvis, Direct imaging of lipid-ion network formation under physiological conditions by frequency modulation atomic force microscopy. Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 10601-10603. T. Ando, N. Kodera, E. Takai, D. Maruyama, K. Saito, A. Toda, A high-speed atomic force microscope for stdying biological macromolecules. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98 (2001) 12468-12472.T. Ando, N. Kodera, E. Takai, D. Maruyama, K. Saito, A. Toda, A high-speed atomic force microscope for stdying biological macromolecules. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 98 (2001) 12468-12472. A. Kloda, L. Kua, R. Hall, D. J. Adams, B. Martinac, Liposome reconstitution and modulation of recombinant N-methyl-D-aspartate receptor channels by membrane stretch, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 (2007) 1540-1545.A. Kloda, L. Kua, R. Hall, DJ Adams, B. Martinac, Liposome reconstitution and modulation of recombinant N-methyl-D-aspartate receptor channels by membrane stretch, Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 104 ( 2007) 1540-1545. Y. Sawada, M. Tamada, B. J. Dubin-Thaler, O. Cherniavskaya, R. Sakai, S. Tanaka, M. P. Sheetz, Force sensing by mechanical extension of the Src family kinase substrate p130Cas, Cell 127 (2006) 1015-1026.Y. Sawada, M. Tamada, B. J. Dubin-Thaler, O. Cherniavskaya, R. Sakai, S. Tanaka, M. P. Sheetz, Force sensing by mechanical extension of the Src family kinase substrate p130Cas, Cell 127 (2006) 1015-1026. K. Yamamoto, T. Sokabe, T. Matsumoto, K. Yoshimura, M. Shibata, N. Ohura, T. Fukuda, T. Sato, K. Sekine, S. Kato, M. Isshiki, T. Fujita, M. Kobayashi, K. Kawamura, H. Masuda, A. Kamiya, J. Ando, Impaired flow-dependent control of vascular tone and remodeling in P2X4-deficient mice, Nat Med. 12 (2006) 133-137.K. Yamamoto, T. Sokabe, T. Matsumoto, K. Yoshimura, M. Shibata, N. Ohura, T. Fukuda, T. Sato, K. Sekine, S. Kato, M. Isshiki, T. Fujita, M. Kobayashi, K. Kawamura, H. Masuda, A. Kamiya, J. Ando, Impaired flow-dependent control of vascular tone and remodeling in P2X4-deficient mice, Nat Med. 12 (2006) 133-137. Y. Fujiwara, Y. Kubo, Density dependent changes of the pore properties of P2X2 receptor channel, J. Physiol. 558 (2004) 31-43.Y. Fujiwara, Y. Kubo, Density dependent changes of the pore properties of P2X2 receptor channel, J. Physiol. 558 (2004) 31-43.

本発明は、微小孔上に展開した脂質二分子膜中に膜タンパク質を再構成した、該脂質二分子膜の伸展による膜タンパク質の活性化、および伸展による脂質二分子膜中の受容体の密度変化と活性の関係を測定できる膜タンパク質機能測定システム、ならびに膜タンパク質機能測定方法の提供を目的とする。   The present invention reconstitutes a membrane protein in a lipid bilayer membrane developed on a micropore, activation of the membrane protein by extension of the lipid bilayer membrane, and density of receptors in the lipid bilayer membrane by extension An object of the present invention is to provide a membrane protein function measuring system and a membrane protein function measuring method capable of measuring the relationship between change and activity.

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。
[1]穴部を有する基板本体の、該穴部の開口が膜タンパク質を含む脂質二分子膜に覆われており、該脂質二分子膜上に緩衝液が配置された膜タンパク質機能測定用基板と、前記脂質二分子膜を伸展する伸展手段と、を具備する膜タンパク質機能測定システム。
[2]前記伸展手段が走査プローブ顕微鏡の深針である、前記[1]に記載の膜タンパク質機能測定システム。
[3]更に、前記脂質二分子膜の表面構造を観察する観察手段を具備する、前記[1]または[2]に記載の膜タンパク質機能測定システム。
[4]更に、前記基板における前記穴部の外部に設けられた第1の電極と、前記穴部の内部に設けられた第2の電極とを具備する、前記[1]〜[3]のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システム。
[5]前記[1]〜[3]のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、前記穴部の内部に、膜タンパク質を透過するイオンに結合して蛍光を発するイオン感受性蛍光色素が配置され、かつ前記脂質二分子膜上に、膜タンパク質を透過するイオンを含む緩衝液が配置されており、前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記イオンチャネル型膜タンパク質のイオンの透過を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
[6]前記[1]〜[3]のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、前記穴部の内部に、核酸が配置され、かつ前記脂質二分子膜上に、核酸に結合して蛍光が増強する核酸結合性蛍光色素を含む緩衝液が配置されており、前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記イオンチャネル型膜タンパク質の前記核酸結合性蛍光色素の透過を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
[7]前記[1]〜[3]のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、前記穴部の内部に、蛍光標識した細胞外情報伝達物質が配置されており、前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記細胞外情報伝達物質の前記穴部の内部から外部への前記イオンチャネル型膜タンパク質を介した移動を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
[8]前記[1]〜[3]のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、前記膜タンパク質が代謝型膜タンパク質であり、前記穴部の内部に、細胞質抽出画分、および膜タンパク質を透過するカルシウムイオンに結合して蛍光を発するカルシウムイオン感受性蛍光色素が配置されており、前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、細胞内シグナル伝達系を介した小胞体からのカルシウムイオンの放出を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
[9]前記[4]に記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、前記脂質二分子膜上に、膜タンパク質を透過するイオンを含む緩衝液が配置されており、前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記第1の電極および第2の電極の間を流れる電流を測定して、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
The present invention employs the following configuration in order to solve the above problems.
[1] A membrane protein function measuring substrate in which an opening of a substrate body having a hole is covered with a lipid bilayer membrane containing a membrane protein, and a buffer solution is disposed on the lipid bilayer membrane And a membrane protein function measuring system comprising: stretching means for stretching the lipid bilayer membrane.
[2] The membrane protein function measuring system according to [1], wherein the extension means is a deep needle of a scanning probe microscope.
[3] The membrane protein function measuring system according to [1] or [2], further comprising observation means for observing the surface structure of the lipid bilayer membrane.
[4] The method according to any one of [1] to [3], further including a first electrode provided outside the hole in the substrate and a second electrode provided inside the hole. The membrane protein function measuring system according to any one of the above.
[5] A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of [1] to [3], wherein the membrane protein is an ion channel membrane protein, and the hole An ion-sensitive fluorescent dye that emits fluorescence by binding to ions that pass through the membrane protein is placed inside the unit, and a buffer solution that contains ions that pass through the membrane protein is placed on the lipid bilayer membrane. A membrane protein function measuring method in which the lipid bilayer is stretched by the stretching means, the ion permeation of the ion channel membrane protein is measured from the change in fluorescence intensity, and the function of the membrane protein is measured.
[6] A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of [1] to [3], wherein the membrane protein is an ion channel membrane protein, and the hole A buffer solution containing a nucleic acid-binding fluorescent dye that binds to a nucleic acid and enhances fluorescence is disposed on the lipid bilayer membrane, and a nucleic acid-binding fluorescent dye is disposed on the lipid bilayer membrane. A membrane protein function measuring method for measuring the function of a membrane protein by extending a molecular membrane, measuring the penetration of the nucleic acid-binding fluorescent dye of the ion channel membrane protein from a change in fluorescence intensity.
[7] A method for measuring a function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of [1] to [3], wherein the membrane protein is an ion channel membrane protein, and the hole A fluorescently labeled extracellular information transmission substance is disposed inside the part, the lipid bilayer is extended by the extension means, and the extracellular information transmission substance is transferred from the inside to the outside of the hole part. A membrane protein function measuring method for measuring the function of a membrane protein by measuring movement through an ion channel type membrane protein from a change in fluorescence intensity.
[8] A method for measuring a function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of [1] to [3], wherein the membrane protein is a metabotropic membrane protein, and the hole portion In the inside, a cytoplasmic extract fraction and a calcium ion sensitive fluorescent dye that emits fluorescence by binding to calcium ions that permeate membrane proteins are arranged, and the lipid bilayer is stretched by the stretching means, A membrane protein function measuring method for measuring the function of a membrane protein by measuring the release of calcium ions from the endoplasmic reticulum via an internal signal transduction system from the change in fluorescence intensity.
[9] A method for measuring a function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to [4], wherein the membrane protein is an ion channel membrane protein, and the membrane is formed on the lipid bilayer membrane. A buffer solution containing ions that pass through the protein is disposed, the lipid bilayer is stretched by the stretching means, and a current flowing between the first electrode and the second electrode is measured, A membrane protein function measuring method for measuring protein function.

本発明の膜タンパク質機能測定システムおよび膜タンパク質機能測定方法によれば、脂質二分子膜の伸展による膜タンパク質の活性化、および伸展による脂質二分子膜中の受容体の密度変化と活性の関係を測定できる。   According to the membrane protein function measuring system and the membrane protein function measuring method of the present invention, the activation of membrane protein by extension of the lipid bilayer membrane, and the relationship between the density change of the receptor in the lipid bilayer membrane and the activity by extension. It can be measured.

本発明の膜タンパク質機能測定システムの実施形態の一例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed an example of embodiment of the membrane protein function measuring system of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定システムの他の実施形態例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed other embodiment examples of the membrane protein function measuring system of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定方法の一工程を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed 1 process of the membrane protein function measuring method of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定方法の一工程を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed 1 process of the membrane protein function measuring method of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定方法の一工程を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed 1 process of the membrane protein function measuring method of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定方法の一工程を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed 1 process of the membrane protein function measuring method of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定方法の一工程を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed 1 process of the membrane protein function measuring method of this invention. 本発明の膜タンパク質機能測定方法の一工程を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed 1 process of the membrane protein function measuring method of this invention. 実験例1における基板の共焦点蛍光顕微鏡を用いた蛍光像である。It is a fluorescence image using the confocal fluorescence microscope of the board | substrate in Experimental example 1. FIG. 実験例2における基板のAFM像である。6 is an AFM image of a substrate in Experimental Example 2. 実施例1における基板のAFM像(a)、AFM像(a)中の破線部における脂質二分子膜の高さ情報を示したグラフ(b)、およびAFM像(a)の拡大図(c)である。AFM image (a) of substrate in Example 1, graph (b) showing height information of lipid bilayer membrane in broken line part in AFM image (a), and enlarged view (c) of AFM image (a) It is. 実施例1における穴部を有する基板のAFM像(a)、AFM像(a)中の破線部における脂質二分子膜の高さ情報を示したグラフ(b)、およびAFM像(a)の拡大図(c)である。AFM image (a) of the substrate having a hole in Example 1, graph (b) showing the height information of the lipid bilayer membrane at the broken line in AFM image (a), and enlargement of AFM image (a) It is a figure (c). 実施例2における蛍光強度の変化を示したグラフ(a)および基板の共焦点蛍光顕微鏡を用いた蛍光像(b)、ならびに実施例3における電流値の変化を示したグラフ(c)である。It is the graph (a) which showed the graph (a) which showed the change of the fluorescence intensity in Example 2, the fluorescence image (b) using the confocal fluorescence microscope of a board | substrate, and the change of the electric current value in Example 3. FIG.

<膜タンパク質機能測定システム>
本発明の膜タンパク質機能測定システム1(以下、「システム1」という。)は、図1に示すように、膜タンパク質機能測定用基板10A(以下、「基板10A」という。)と、伸展手段20と、を具備する。
基板10Aは、穴部11を有する基板本体12と、穴部11の開口11aを覆う、膜タンパク質13を含む脂質二分子膜14と、脂質二分子膜14上に配置された緩衝液15とを有する。伸展手段20は、脂質二分子膜14を伸展する手段である。
<Membrane protein function measurement system>
As shown in FIG. 1, a membrane protein function measuring system 1 (hereinafter referred to as “system 1”) of the present invention includes a membrane protein function measuring substrate 10A (hereinafter referred to as “substrate 10A”) and an extension means 20. And.
The substrate 10A includes a substrate body 12 having a hole portion 11, a lipid bilayer membrane 14 containing a membrane protein 13 that covers the opening 11a of the hole portion 11, and a buffer solution 15 disposed on the lipid bilayer membrane 14. Have. The extension means 20 is means for extending the lipid bilayer membrane 14.

基板10Aは、脂質二分子膜14を伸展することによって活性化する膜タンパク質13の構造変化、脂質二分子膜14における局在の観測、蛍光強度の変化の測定による膜タンパク質13の機能測定のための基板である。
基板10Aでは、穴部11を覆う脂質二分子膜14上に緩衝液15が配置され、穴部11の外部と穴部11の内部が脂質二分子膜14によって区切られている。
The substrate 10A is used for measuring the function of the membrane protein 13 by measuring the structural change of the membrane protein 13 activated by stretching the lipid bilayer membrane 14, observing the localization in the lipid bilayer membrane 14, and measuring the change in fluorescence intensity. It is a substrate.
In the substrate 10 </ b> A, the buffer solution 15 is disposed on the lipid bilayer membrane 14 covering the hole portion 11, and the outside of the hole portion 11 and the inside of the hole portion 11 are separated by the lipid bilayer membrane 14.

基板本体12の表面は、平坦であることが好ましい。
基板本体12の材質は、表面を平坦に加工できる材質が好ましく、例えば、マイカ、ガラス、シリコンなどが挙げられる。
基板本体12の形状は特に限定されず、用途に応じた形状のものを使用することができ、例えば、平板状の基板が挙げられる。
基板本体12の厚みは特に限定されず、0.1mm〜2mmが好ましい。
The surface of the substrate body 12 is preferably flat.
The material of the substrate body 12 is preferably a material whose surface can be processed flat, and examples thereof include mica, glass, and silicon.
The shape of the substrate main body 12 is not particularly limited, and a shape according to the application can be used. For example, a flat substrate can be mentioned.
The thickness of the substrate body 12 is not particularly limited, and is preferably 0.1 mm to 2 mm.

基板本体12は、穴部11を有する。
基板本体12における穴部11の数は特に限定されず、1〜10,000個が好ましい。
穴部11の形状は、開口11aに脂質二分子膜14を安定に配置でき、必要に応じて蛍光顕微鏡による穴部11の蛍光像の取得、AFMによる表面構造の観察等が可能な形状であればよい。穴部11の形状としては、例えば、円筒状が挙げられる。
穴部11は、凹状の穴であってもよく、貫通孔であってもよい。この例では、穴部11は凹状の穴である。
The substrate body 12 has a hole 11.
The number of the hole portions 11 in the substrate body 12 is not particularly limited, and is preferably 1 to 10,000.
The shape of the hole 11 is such that the lipid bilayer membrane 14 can be stably disposed in the opening 11a, and if necessary, a fluorescent image of the hole 11 can be obtained with a fluorescence microscope, and the surface structure can be observed with an AFM. That's fine. Examples of the shape of the hole 11 include a cylindrical shape.
The hole 11 may be a concave hole or a through hole. In this example, the hole 11 is a concave hole.

開口11aの直径は、10nm〜10μmが好ましい。開口11aの直径が10nm以上であれば、AFMにより表面構造の観察等が容易になり、また膜タンパク質13の機能測定が容易になる。開口11aの直径が10μm以下であれば、脂質二分子膜14をより安定に形成できる。
また、穴部11の深さは、基板本体12の厚みに応じて設定すればよく、50nm〜2mmが好ましい。
The diameter of the opening 11a is preferably 10 nm to 10 μm. If the diameter of the opening 11a is 10 nm or more, observation of the surface structure and the like can be facilitated by AFM, and functional measurement of the membrane protein 13 can be facilitated. If the diameter of the opening 11a is 10 μm or less, the lipid bilayer membrane 14 can be formed more stably.
Moreover, what is necessary is just to set the depth of the hole part 11 according to the thickness of the board | substrate body 12, and 50 nm-2 mm are preferable.

基板本体12に穴部11を形成する方法としては、例えば、フォトリソグラフィ法、ドライエッチング法等の微細加工技術が適用できる。また、プラスチックの基板本体12であれば、加熱した注射針を刺すことにより形成してもよい。   As a method of forming the hole 11 in the substrate body 12, for example, a fine processing technique such as a photolithography method or a dry etching method can be applied. Further, the plastic substrate body 12 may be formed by piercing a heated injection needle.

膜タンパク質13は、イオンチャネル型膜タンパク質もしくは代謝型膜タンパク質などが挙げられる。
イオンチャネル型膜タンパク質としては、例えばイオンチャネル型受容体が挙げられ、TRP(Transient Receptor Potential)チャネル(サブユニットはTRPV1〜TRPV6、TRPA1、TRPC1〜TRPC7、TRPM1〜TRPM8、TRPML1〜TRPML3、TRPP1〜TRPP5)、ATP受容体(サブユニットはP2X〜P2X)、セトロニン受容体(サブユニットは5−HT)、NMDA受容体(サブユニットはNR1、NR2A〜NR2D、NR3A、NR3B)、AMPA受容体(サブユニットはGluR1〜GluR4)、カイニン酸受容体(サブユニットはGluR5〜GluR7、KA−1、KA−2)、GABA受容体(サブユニットはα、β、γ)もしくはGABA受容体(サブタイプはGABA、GABA)などが挙げられる。
代謝型膜タンパク質としては、例えばGタンパク共役型受容体が挙げられ、アデノシン受容体(A、A2A、A2B、A)、ATP受容体(P2Y、P2Y、P2Y、P2Y、P2Y11、P2Y12、P2Y13、P2Y14)、セロトニン受容体(サブユニットは5−HT1、5−HT2、5−HT4、5−HT6、5−HT7)、代謝型グルタミン酸受容体(mGluR1〜mGluR3、mGluR5〜mGluR8)、アドレナリン受容体(α、β)、プロテアーゼ活性化受容体(PAR−1〜PAR−4)、ブラジキニン受容体(B1、B2)、GABA受容体、オピオイド受容体(ν受容体、δ受容体、κ受容体)などが挙げられる。
これら受容体は1種のみを使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
Examples of the membrane protein 13 include an ion channel membrane protein and a metabotropic membrane protein.
Examples of the ion channel membrane protein include an ion channel receptor, and TRP (Transient Receptor Potential) (subunits are TRPV1 to TRPV6, TRPA1, TRPC1 to TRPC7, TRPM1 to TRPM8, TRPML1 to TRPML3, TRPP1 to TRPP5). ), ATP receptor (subunits are P2X 1 to P2X 7 ), setronin receptor (subunit is 5-HT 3 ), NMDA receptor (subunits are NR1, NR2A to NR2D, NR3A, NR3B), AMPA receptor (Subunits are GluR1 to GluR4), kainate receptors (subunits are GluR5 to GluR7, KA-1, KA-2), GABA receptors (subunits are α, β, γ) or ABA receptor (subtype GABA A, GABA C) and the like.
Examples of metabotropic membrane proteins include G protein-coupled receptors, such as adenosine receptors (A 1 , A 2A , A 2B , A 3 ), ATP receptors (P2Y 1 , P2Y 2 , P2Y 4 , P2Y 6). , P2Y 11 , P2Y 12 , P2Y 13 , P2Y 14 ), serotonin receptor (subunits are 5-HT1, 5-HT2, 5-HT4, 5-HT6, 5-HT7), metabotropic glutamate receptors (mGluR1- mGluR3, mGluR5 to mGluR8), adrenergic receptors (α, β), protease activated receptors (PAR-1 to PAR-4), bradykinin receptors (B1, B2), GABA B receptors, opioid receptors (ν) Receptor, δ receptor, κ receptor) and the like.
These receptors may be used alone or in combination of two or more.

脂質二分子膜14に膜タンパク質13を再構成する方法は、公知の方法を用いることができ、例えば、ベシクルフュージョン法が挙げられる。   As a method of reconstituting the membrane protein 13 in the lipid bilayer membrane 14, a known method can be used, and examples thereof include a vesicle fusion method.

脂質二分子膜14は、両親媒性分子であるリン脂質などの脂質分子が二層構造を形成した膜であり、生体膜の最も基本的な構造である。脂質分子は、疎水性部分と親水性部分を有し、疎水性部分同士が会合することにより安定な二分子膜構造を形成する。
脂質分子としては、常温で充分な流動性を持つものであればよく、各脂質の疎水部のアルキル鎖長、二重結合の部位と数は特に限定されない。
脂質分子としては、例えば、卵黄由来フォスファチジルコリン(egg−yolk PC)、ホスファチジルコリン(PC)、ホスファチジルエタノールアミン(PE)、ホスファチジルセリン(PS)、ホスファチジルイノシトール(PI)、ホスファチジルイノシトールホスフェイト(PIP)、ホスファチジン酸(PA)、ホスファチジルグリセロール(PG)、スフィンゴ脂質などが挙げられる。
これら脂質分子は、1種類のみを用いてもよく、2種類以上を用いてもよい。
The lipid bilayer membrane 14 is a membrane in which lipid molecules such as phospholipids that are amphipathic molecules form a bilayer structure, and is the most basic structure of a biological membrane. Lipid molecules have a hydrophobic part and a hydrophilic part, and form a stable bilayer structure when the hydrophobic parts are associated with each other.
The lipid molecule is not particularly limited as long as it has sufficient fluidity at room temperature, and the alkyl chain length and the number of double bonds in the hydrophobic part of each lipid are not particularly limited.
Examples of lipid molecules include egg yolk-derived phosphatidylcholine (egg-yolk PC), phosphatidylcholine (PC), phosphatidylethanolamine (PE), phosphatidylserine (PS), phosphatidylinositol (PI), phosphatidylinositol phosphate (PIP). ), Phosphatidic acid (PA), phosphatidylglycerol (PG), sphingolipid and the like.
These lipid molecules may use only 1 type and may use 2 or more types.

脂質二分子膜14の形成方法としては、例えば、n−デカンなどの有機溶媒に溶解した脂質分子を用いる方法が挙げられる。まず、穴部11に水溶液を配置し、その上部にn−デカンに溶解した脂質分子を配置する。これにより、n−デカン中の脂質分子の親水部がn−デカンと穴部11との界面に次第に集まり、均一な層を形成する。次いで、穴部11のn−デカン上に緩衝液などの水溶液を配置する。これにより、n−デカンと、該n−デカンの上側(外部側)の水溶液との界面にも脂質分子の親水部が次第に集中してくる。n−デカンは室温で揮発するため、最終的に穴部11の開口11aを覆う均一な脂質二分子膜14が形成される。   Examples of the method for forming the lipid bilayer membrane 14 include a method using lipid molecules dissolved in an organic solvent such as n-decane. First, an aqueous solution is placed in the hole 11, and lipid molecules dissolved in n-decane are placed on the top. Thereby, the hydrophilic part of the lipid molecule in n-decane gathers gradually in the interface of n-decane and the hole part 11, and forms a uniform layer. Next, an aqueous solution such as a buffer solution is placed on the n-decane in the hole 11. Thereby, the hydrophilic part of a lipid molecule gradually concentrates also in the interface of n-decane and the aqueous solution above this n-decane (external side). Since n-decane volatilizes at room temperature, a uniform lipid bilayer membrane 14 that finally covers the opening 11a of the hole 11 is formed.

緩衝液15は、充分な蛍光が検出でき、膜タンパク質13の機能を阻害しないものであればよく、例えば、Tris−HClなどが挙げられる。
緩衝液15の量は、脂質二分子膜14を充分に覆う量であればよい。
The buffer solution 15 may be any buffer that can detect sufficient fluorescence and does not inhibit the function of the membrane protein 13, and includes, for example, Tris-HCl.
The amount of the buffer solution 15 may be an amount that sufficiently covers the lipid bilayer membrane 14.

伸展手段20としては、脂質二分子膜14に押し付けて部分的に機械的刺激を与え、脂質二分子膜14を伸展できるものであればよく、AFMなどの走査プローブ顕微鏡の深針が好ましい。   The extension means 20 may be any means as long as it can press the lipid bilayer membrane 14 and partially apply mechanical stimulation to extend the lipid bilayer membrane 14, and a deep needle of a scanning probe microscope such as AFM is preferable.

また、システム1は、脂質二分子膜14の表面構造を観察する観察手段を具備することが好ましい。
観察手段としては、例えば、AFMが挙げられる。また、膜タンパク質13や脂質二分子膜14を蛍光標識している場合であれば、共焦点レーザースキャン顕微鏡を用いることもできる。
In addition, the system 1 preferably includes observation means for observing the surface structure of the lipid bilayer membrane 14.
Examples of the observation means include AFM. Further, if the membrane protein 13 or the lipid bilayer 14 is fluorescently labeled, a confocal laser scanning microscope can be used.

また、穴部11の開口11aが大きすぎることで、伸展しなくても脂質二分子膜14が撓んで脂質二分子膜上の構造観察が困難となる場合は、穴部11の開口11aを覆うように網目構造体を形成し、該網目構造体上に脂質二分子膜14を形成するようにしてもよい。
網目構造体はナノ線状体からなる構造体であり、具体的には、ナノ線状体が多数の分岐を有して、網目を形成したものである。
ナノ線状体としては、例えば、ナノチューブ、ナノワイヤー、ナノファイバなどが挙げられ、その材質は特に制限はないが、ナノ線状体を容易に形成できる点では、カーボンが好ましい。
ここで、ナノ線状体とは、長さ方向に垂直な断面の直径が1〜20nmの線状体のことである。ナノ線状体の長さ方向に垂直な断面の直径が前記下限以上であれば、脂質二分子膜を充分に支持することができる。また、前記上限以下であれば、穴部11の上に網目構造体が配置されても、観察目的の生体試料のAFM観察に支障をきたさない。
ナノ線状体としてカーボンナノチューブを用いる場合、その直径を前記範囲にするためには、後述する網目構造体の形成方法において、使用する金属触媒の種類、粒子径および密度や、形成時の温度を適宜選択すればよい。例えば、触媒の粒子径を大きくする程、直径は大きくなる。
In addition, when the opening 11a of the hole 11 is too large and the lipid bilayer 14 is bent even if it does not extend and it is difficult to observe the structure on the lipid bilayer, the opening 11a of the hole 11 is covered. Thus, a network structure may be formed, and the lipid bilayer 14 may be formed on the network structure.
The network structure is a structure composed of nano linear bodies, and specifically, the nano linear body has a large number of branches to form a network.
Examples of the nanolinear body include nanotubes, nanowires, and nanofibers, and the material thereof is not particularly limited. However, carbon is preferable in that the nanolinear body can be easily formed.
Here, the nano linear body is a linear body having a diameter of 1 to 20 nm in a cross section perpendicular to the length direction. If the diameter of the cross section perpendicular to the length direction of the nanowire is not less than the lower limit, the lipid bilayer membrane can be sufficiently supported. Moreover, if it is below the said upper limit, even if a mesh structure is arrange | positioned on the hole part 11, it will not interfere with AFM observation of the biological sample for observation.
In the case of using carbon nanotubes as the nanowires, in order to make the diameter within the above range, the type, particle diameter and density of the metal catalyst used, and the temperature at the time of formation are determined in the method for forming the network structure described later. What is necessary is just to select suitably. For example, the larger the catalyst particle diameter, the larger the diameter.

網目構造体の形成方法としては、例えば、化学気相成長法(CVD法)により形成する方法などが挙げられる。化学気相成長法を適用した場合の炭素源としては、例えば、メタン、エタン、アセチレン、メタノール、エタノールなどが挙げられる。
また、化学気相成長法により網目構造体を形成する場合には、ナノ線状体を容易に形成できることから、鉄などの金属触媒を用いることが好ましい。また、基板本体12の表面にナノ線状体を形成するためには、金属触媒を基板本体12の表面にあらかじめ付着させておくことが好ましい。
Examples of the method for forming the network structure include a method of forming by a chemical vapor deposition method (CVD method). Examples of the carbon source when the chemical vapor deposition method is applied include methane, ethane, acetylene, methanol, ethanol, and the like.
Further, when the network structure is formed by chemical vapor deposition, it is preferable to use a metal catalyst such as iron because a nano linear body can be easily formed. In order to form a nano-linear body on the surface of the substrate body 12, it is preferable that a metal catalyst is attached to the surface of the substrate body 12 in advance.

また、本発明の膜タンパク質機能測定システムの他の実施形態を図2に示す。
膜タンパク質機能測定システム2(以下、「システム2」という。)は、図2に示すように、膜タンパク質機能測定用基板10B(以下、「基板10B」という。)と、伸展手段20と、を具備する。システム2においてシステム1と同じ部分には同じ符号を付して説明を省略する。
基板10Bは、穴部11を有する基板本体12と、穴部11の開口11aを覆う、膜タンパク質13を含む脂質二分子膜14と、脂質二分子膜14上に配置された緩衝液15と、穴部11の外部に設けられ、緩衝液15と接触する第1の電極16と、穴部11の内部に設けられた第2の電極17とを有する。伸展手段20は、脂質二分子膜14を伸展する手段である。
Moreover, other embodiment of the membrane protein function measuring system of this invention is shown in FIG.
As shown in FIG. 2, the membrane protein function measuring system 2 (hereinafter referred to as “system 2”) includes a membrane protein function measuring substrate 10B (hereinafter referred to as “substrate 10B”) and an extension means 20. It has. In the system 2, the same parts as those in the system 1 are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
The substrate 10B includes a substrate body 12 having a hole portion 11, a lipid bilayer membrane 14 containing a membrane protein 13 that covers the opening 11a of the hole portion 11, a buffer solution 15 disposed on the lipid bilayer membrane 14, and It has the 1st electrode 16 which is provided in the exterior of the hole part 11, and contacts the buffer solution 15, and the 2nd electrode 17 provided in the inside of the hole part 11. FIG. The extension means 20 is means for extending the lipid bilayer membrane 14.

第1の電極16および第2の電極17は、穴部11の外部および内部においてそれぞれ緩衝液に接触するように設けられる。第1の電極16および第2の電極17は、それぞれ図示しない電流計に接続され、それら電極間に流れる電流を測定できるようになっている。
第2の電極17は、穴部11の底部に設けられることが好ましい。
電極の材質としては、例えば、銅、アルミニウム、金、銀、塩化銀、白金、クロム、ニッケルなどの金属、および導電性樹脂などの導電性物質が挙げられる。
電極の厚みは50〜500nmであることが好ましい。
The first electrode 16 and the second electrode 17 are provided so as to be in contact with the buffer solution outside and inside the hole 11, respectively. The first electrode 16 and the second electrode 17 are each connected to an ammeter (not shown) so that a current flowing between the electrodes can be measured.
The second electrode 17 is preferably provided at the bottom of the hole 11.
Examples of the material for the electrode include metals such as copper, aluminum, gold, silver, silver chloride, platinum, chromium, and nickel, and conductive substances such as conductive resins.
The thickness of the electrode is preferably 50 to 500 nm.

システム2には、システム1と同様に、AFM、共焦点レーザースキャン顕微鏡などの、脂質二分子膜14の表面構造を観察する観察手段を具備することが好ましい。また、穴部11の開口11aを覆うように網目構造体を形成し、該網目構造体上に脂質二分子膜14を形成するようにしてもよい。   As in the system 1, the system 2 preferably includes observation means for observing the surface structure of the lipid bilayer 14 such as an AFM or a confocal laser scanning microscope. Alternatively, a network structure may be formed so as to cover the opening 11a of the hole 11, and the lipid bilayer membrane 14 may be formed on the network structure.

<膜タンパク質機能測定方法>
本発明の膜タンパク質機能測定方法は、脂質二分子膜を伸展したときの膜タンパク質の機能、該膜タンパク質(受容体)の脂質二分子膜中での局在を測定する方法であって、前述の本発明の膜タンパク質機能測定システムを用いる方法である。
本発明の膜タンパク質機能測定方法は、機能の測定手段によって、下記方法(I)、方法(II)または方法(III)が挙げられる。
(I)AFMなどの観察手段により脂質二分子膜の表面構造を測定する場合。
(II)膜タンパク質の機能を蛍光強度の変化により光学的に測定する場合。
(III)膜タンパク質の機能を電流値の変化により電気的に測定する場合。
<Method for measuring membrane protein function>
The membrane protein function measuring method of the present invention is a method for measuring the function of a membrane protein when the lipid bilayer is stretched, and the localization of the membrane protein (receptor) in the lipid bilayer. The method using the membrane protein function measuring system of the present invention.
The membrane protein function measuring method of the present invention includes the following method (I), method (II) or method (III) depending on the function measuring means.
(I) When measuring the surface structure of a lipid bilayer by observation means such as AFM.
(II) When the function of a membrane protein is optically measured by a change in fluorescence intensity.
(III) When the function of the membrane protein is electrically measured by a change in current value.

また、方法(II)は、測定に用いる膜タンパク質と蛍光物質の種類により下記方法(II−1)〜(II−4)が挙げられる。
(II−1)膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、蛍光物質としてイオン感受性蛍光色素を用いる場合。
(II−2)膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、蛍光物質として核酸結合性蛍光色素を用いる場合。
(II−3)膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、蛍光物質として蛍光標識した細胞外情報伝達物質を用いる場合。
(II−4)膜タンパク質が代謝型膜タンパク質であり、蛍光物質としてイオン感受性蛍光色素を用いる場合。
The method (II) includes the following methods (II-1) to (II-4) depending on the type of membrane protein and fluorescent substance used for measurement.
(II-1) When the membrane protein is an ion channel type membrane protein and an ion sensitive fluorescent dye is used as a fluorescent substance.
(II-2) The membrane protein is an ion channel membrane protein and a nucleic acid-binding fluorescent dye is used as the fluorescent substance.
(II-3) When the membrane protein is an ion channel type membrane protein and an extracellular signal transmitting substance labeled with fluorescence is used as the fluorescent substance.
(II-4) When the membrane protein is a metabotropic membrane protein and an ion-sensitive fluorescent dye is used as the fluorescent substance.

方法(I):
システム1における膜タンパク質13としてイオンチャネル型膜タンパク質13Aと代謝型膜タンパク質13Bを用いたシステム1Aを用い、図3に示すように、AFM探針などの伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展し、同時に、図示しない観察手段によりイオンチャネル型膜タンパク質13Aおよび代謝型膜タンパク質13Bを有する脂質二分子膜14の表面構造を観察する。脂質二分子膜14はAFMの探針などの伸展手段20で伸展する。
これにより、脂質二分子膜14の伸展によるイオンチャネル型膜タンパク質13Aと代謝型膜タンパク質13Bの構造変化を調べることができる。同様に、脂質二分子膜14の伸展による、イオンチャネル型膜タンパク質13Aと代謝型膜タンパク質13Bの脂質二分子膜14内の局在の変化を観察することができる。
Method (I):
Using system 1A using ion channel membrane protein 13A and metabotropic membrane protein 13B as membrane protein 13 in system 1, as shown in FIG. 3, lipid bilayer membrane 14 is extended by extension means 20 such as an AFM probe. At the same time, the surface structure of the lipid bilayer membrane 14 having the ion channel membrane protein 13A and the metabotropic membrane protein 13B is observed by an observation means (not shown). The lipid bilayer 14 is extended by extension means 20 such as an AFM probe.
Thereby, the structural change of the ion channel type membrane protein 13A and the metabotropic membrane protein 13B due to the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be examined. Similarly, changes in the localization of the ion channel membrane protein 13A and the metabotropic membrane protein 13B in the lipid bilayer membrane 14 due to the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be observed.

方法(II−1):
システム1において、膜タンパク質13がイオンチャネル型膜タンパク質13Aであり、穴部11の内部に、膜タンパク質13を透過するイオン31に結合して蛍光を発するイオン感受性蛍光色素32が配置され、かつ脂質二分子膜14上に、膜タンパク質13を透過するイオン31を含む緩衝液15が配置されたシステム1Bを用い、図4に示すように、伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展し、イオンチャネル型膜タンパク質13Aのイオン31の透過を蛍光強度の変化から測定する。
Method (II-1):
In the system 1, the membrane protein 13 is an ion channel type membrane protein 13A, an ion-sensitive fluorescent dye 32 that emits fluorescence by binding to ions 31 that permeate the membrane protein 13 is disposed in the hole portion 11, and lipids Using the system 1B in which the buffer solution 15 containing the ions 31 that permeate the membrane protein 13 is arranged on the bilayer membrane 14, as shown in FIG. The transmission of the ions 31 of the channel-type membrane protein 13A is measured from the change in fluorescence intensity.

伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展すると、その刺激に伴ってイオンチャネル型膜タンパク質13Aの構造が変化し、膜貫通部分のイオンチャネルが開いて穴部11にイオン31が流入する。そして、穴部11に流入したイオン31とイオン感受性蛍光色素32が結合して蛍光を発することで、脂質二分子膜14の伸展によるイオンチャネル型膜タンパク質13Aの活性の変化を測定できる。
イオン感受性蛍光色素32は、緩衝液に含有させて穴部11の内部に配置する。緩衝液は、充分な蛍光が検出でき、イオンチャネル型膜タンパク質13Aの機能を阻害しないものであればよく、例えば、Tris−HClなどが挙げられる。
When the lipid bilayer 14 is stretched by the stretching means 20, the structure of the ion channel membrane protein 13 </ b> A changes with the stimulation, the ion channel at the transmembrane portion opens, and the ions 31 flow into the hole 11. Then, the ion 31 that has flowed into the hole 11 and the ion-sensitive fluorescent dye 32 are combined to emit fluorescence, whereby a change in the activity of the ion channel membrane protein 13A due to the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be measured.
The ion sensitive fluorescent dye 32 is contained in the buffer solution and disposed inside the hole 11. Any buffer solution may be used as long as it can detect sufficient fluorescence and does not inhibit the function of the ion channel membrane protein 13A. Examples thereof include Tris-HCl.

イオン31としては、例えば、カルシウムイオン、ナトリウムイオン、塩化物イオン、カリウムイオンが挙げられる。
緩衝液15中のイオン31の濃度は、測定に応じて適宜決定すればよく、1nM〜500mMが好ましく、10μM〜150mMがより好ましい。
Examples of the ions 31 include calcium ions, sodium ions, chloride ions, and potassium ions.
What is necessary is just to determine the density | concentration of the ion 31 in the buffer solution 15 suitably according to a measurement, 1 nM-500 mM are preferable, and 10 micromol-150 mM are more preferable.

イオン感受性蛍光色素32は、イオン31と結合することにより蛍光を発する物質であり、カルシウムイオン(Ca2+)と結合して蛍光を発するできるfura−2、fluo−3、fluo−4、ナトリウムイオン(Na)と結合して蛍光を発するSBFI、CoroNa、カリウムイオン(K)と結合して蛍光を発するPBFI、塩化物イオン(Cl)と結合して蛍光を発するMQAEなどが挙げられる。
穴部11の内部におけるイオン感受性蛍光色素32の濃度は、蛍光強度の変化によりイオンチャネル型膜タンパク質13Aの活性を測定できるのに充分な量であればよく、100nM〜500μMが好ましく、1μM〜100μMがより好ましい
The ion-sensitive fluorescent dye 32 is a substance that emits fluorescence by binding to the ions 31, and can be combined with calcium ions (Ca 2+ ) to emit fluorescence, such as fura-2, fluo-3, fluo-4, sodium ions ( Examples thereof include SBFI that emits fluorescence by binding to Na + ), CoroNa, PBFI that emits fluorescence by binding to potassium ion (K + ), MQAE that emits fluorescence by binding to chloride ion (Cl ), and the like.
The concentration of the ion-sensitive fluorescent dye 32 inside the hole 11 may be an amount sufficient to measure the activity of the ion channel membrane protein 13A by a change in fluorescence intensity, and is preferably 100 nM to 500 μM, preferably 1 μM to 100 μM. Is more preferred

方法(II−2):
システム1において、膜タンパク質13がイオンチャネル型膜タンパク質13Aであり、穴部11の内部に核酸33が配置され、かつ脂質二分子膜14上に、核酸33に結合して蛍光が増強する核酸結合性蛍光色素34を含む緩衝液15が配置されたシステム1Cを用い、図5に示すように、伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展して、イオンチャネル型膜タンパク質13Aの核酸結合性蛍光色素34の透過を蛍光強度の変化から測定する。
Method (II-2):
In the system 1, the membrane protein 13 is an ion channel type membrane protein 13A, the nucleic acid 33 is disposed inside the hole 11, and the nucleic acid binding that binds to the nucleic acid 33 and enhances fluorescence on the lipid bilayer membrane 14 As shown in FIG. 5, using the system 1C in which the buffer solution 15 containing the fluorescent fluorescent dye 34 is disposed, the lipid bilayer membrane 14 is extended by the extension means 20, and the nucleic acid-binding fluorescence of the ion channel membrane protein 13A is obtained. The transmission of the dye 34 is measured from the change in fluorescence intensity.

伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展すると、その刺激に伴ってイオンチャネル型膜タンパク質13Aの構造が変化し、チャネルポアサイズが変化して、核酸結合性蛍光色素34がイオンチャネル型膜タンパク質13Aを介して穴部11の内部に流入する。そして、穴部11に流入した核酸結合性蛍光色素34と核酸33が結合して蛍光を発することで、脂質二分子膜14の伸展によるイオンチャネル型膜タンパク質13Aの活性の変化を測定できる。
核酸33は、緩衝液に含有させて穴部11の内部に配置する。緩衝液は、充分な蛍光が検出でき、イオンチャネル型膜タンパク質13Aの機能を阻害しないものであればよく、例えば、Tris−HClなどが挙げられる。
When the lipid bilayer membrane 14 is stretched by the stretching means 20, the structure of the ion channel membrane protein 13A changes with the stimulation, the channel pore size changes, and the nucleic acid binding fluorescent dye 34 becomes the ion channel membrane protein 13A. It flows into the inside of the hole part 11 via. Then, the nucleic acid-binding fluorescent dye 34 and the nucleic acid 33 that have flowed into the hole 11 are combined to emit fluorescence, whereby the change in the activity of the ion channel membrane protein 13A due to the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be measured.
The nucleic acid 33 is contained in the buffer solution and disposed inside the hole 11. Any buffer solution may be used as long as it can detect sufficient fluorescence and does not inhibit the function of the ion channel membrane protein 13A. Examples thereof include Tris-HCl.

核酸33としては、例えば、デオキシリボ核酸(DNA)、リボ核酸(RNA)が挙げられる。核酸は、人工的に合成したものであっても、細胞から抽出したものであってもよい。また、核酸33の塩基対数は、蛍光強度の変化を定量的に測定することができれば特に限定されない。
穴部11の内部における核酸33の濃度は、核酸の種類、長さによっても異なるが、1ng/μL〜500μg/μLが好ましく、1〜100μg/μLがより好ましい。
Examples of the nucleic acid 33 include deoxyribonucleic acid (DNA) and ribonucleic acid (RNA). The nucleic acid may be artificially synthesized or extracted from cells. The number of base pairs of the nucleic acid 33 is not particularly limited as long as the change in fluorescence intensity can be measured quantitatively.
The concentration of the nucleic acid 33 inside the hole 11 varies depending on the type and length of the nucleic acid, but is preferably 1 ng / μL to 500 μg / μL, and more preferably 1 to 100 μg / μL.

核酸結合性蛍光色素34としては、例えば、臭化エチジウム、プロピディウムイオダイドなどが挙げられる。
穴部11の内部における核酸結合性蛍光色素34の濃度は、蛍光強度の変化によりイオンチャネル型膜タンパク質13Aの活性を測定できるのに充分な量であればよく、100nM〜500μMが好ましく、1μM〜100μMがより好ましい
Examples of the nucleic acid binding fluorescent dye 34 include ethidium bromide and propidium iodide.
The concentration of the nucleic acid-binding fluorescent dye 34 inside the hole 11 may be an amount sufficient to measure the activity of the ion channel membrane protein 13A by a change in fluorescence intensity, and is preferably 100 nM to 500 μM, preferably 1 μM to 100 μM is more preferable

方法(II−3):
システム1において、膜タンパク質13がイオンチャネル型膜タンパク質13Aであり、穴部11の内部に、蛍光標識した細胞外情報伝達物質35(以下、「リガンド分子35」という。)が配置されたシステム1Dを用い、図6に示すように、伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展して、リガンド分子35の穴部11の内部から外部へのイオンチャネル型膜タンパク質13Aを介した移動を蛍光強度の変化から測定する。
Method (II-3):
In the system 1, the membrane protein 13 is an ion channel type membrane protein 13A, and a fluorescently-labeled extracellular information transmission substance 35 (hereinafter referred to as “ligand molecule 35”) is disposed inside the hole 11. As shown in FIG. 6, the lipid bilayer membrane 14 is stretched by the stretching means 20, and the movement of the ligand molecule 35 from the inside of the hole 11 to the outside through the ion channel membrane protein 13A is fluorescence intensity. Measure from changes in

伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展すると、その刺激に伴ってイオンチャネル型膜タンパク質13Aが活性化して構造が変化し、リガンド分子35がイオンチャネル型膜タンパク質13Aを介して穴部11の内部から外部に流出し、穴部11の内部において蛍光強度が小さくなる。そのため、穴部11の内部においてリガンド分子35による蛍光強度の変化を測定することで、脂質二分子膜14の伸展によるイオンチャネル型膜タンパク質13Aの活性の変化を測定できる。
リガンド分子35は、緩衝液に含有させて穴部11の内部に配置する。緩衝液は、充分な蛍光が検出でき、イオンチャネル型膜タンパク質13Aの機能を阻害しないものであればよく、例えば、Tris−HClなどが挙げられる。
When the lipid bilayer membrane 14 is stretched by the stretching means 20, the ion channel membrane protein 13A is activated and the structure is changed in accordance with the stimulation, and the ligand molecule 35 passes through the ion channel membrane protein 13A. It flows out from the inside to the outside, and the fluorescence intensity is reduced inside the hole 11. Therefore, the change in the activity of the ion channel membrane protein 13A due to the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be measured by measuring the change in the fluorescence intensity due to the ligand molecule 35 inside the hole 11.
The ligand molecule 35 is contained in the buffer solution and arranged inside the hole 11. Any buffer solution may be used as long as it can detect sufficient fluorescence and does not inhibit the function of the ion channel membrane protein 13A. Examples thereof include Tris-HCl.

リガンド分子35は、細胞外情報伝達物質に蛍光物質が結合した化合物である。
細胞外情報伝達物質は、細胞間での情報伝達に用いられる物質であり、例えば、アデノシン三リン酸(ATP)、グルタミン酸が挙げられる。
前記細胞外情報伝達物質に結合する蛍光物質としては、NBD(nitrobenzfurazan)、TexasRed、Alexa Fluor、fluorescein、rhodamine、Cy dyeが好ましい。
リガンド分子35の具体例としては、例えば、ATP−FITC、glutamate−FITCが挙げられる。細胞外情報伝達物質にFITCを結合させる方法は、公知の方法を用いることができる。
リガンド分子35の濃度は、測定の目的に応じて適宜決定すればよく、1nM〜10mMが好ましく、10nM〜100μMがより好ましい。
The ligand molecule 35 is a compound in which a fluorescent substance is bound to an extracellular information transmission substance.
Extracellular information transmission substances are substances used for information transmission between cells, and examples thereof include adenosine triphosphate (ATP) and glutamic acid.
As the fluorescent substance that binds to the extracellular information transmission substance, NBD (nitrobenzofurazane), Texas Red, Alexa Fluor, fluorescein, rhodamine, and Cy dye are preferable.
Specific examples of the ligand molecule 35 include ATP-FITC and glutamate-FITC. A known method can be used as a method for binding FITC to an extracellular signal transmitting substance.
What is necessary is just to determine the density | concentration of the ligand molecule 35 suitably according to the objective of a measurement, 1 nM-10 mM are preferable, and 10 nM-100 micromol are more preferable.

方法(II−4):
システム1において、膜タンパク質13が代謝型膜タンパク質13Bであり、穴部11の内部に、細胞質抽出画分36、およびカルシウムイオンに結合して蛍光を発するカルシウムイオン感受性蛍光色素37が配置されたシステム1Eを用い、図7に示すように、伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展して、細胞内シグナル伝達系を介した小胞体からのカルシウムイオンの放出を蛍光強度の変化から測定する。
Method (II-4):
In the system 1, the membrane protein 13 is a metabotropic membrane protein 13B, and a cytoplasmic extract fraction 36 and a calcium ion sensitive fluorescent dye 37 that emits fluorescence by binding to calcium ions are arranged inside the hole 11. Using 1E, as shown in FIG. 7, the lipid bilayer 14 is stretched by the stretching means 20, and the release of calcium ions from the endoplasmic reticulum via the intracellular signal transduction system is measured from the change in fluorescence intensity.

伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展すると、代謝型膜タンパク質13Bが活性化する。そして、穴部11の内部に存在する、代謝型膜タンパク質13Bと会合していたグアノシン二リン酸(GDP)結合型Gタンパク質がグアノシン三リン酸(GTP)結合型Gタンパク質と置き換わることで、そのシグナル伝達経路の下流にあるホスホリパーゼC(PLC)を活性化する。PLCは、脂質二分子膜のホスファチジルイノシトールの1種であるPI(4,5)Pを代謝してイノシトール三リン酸(IP)を産生する。IPは、小胞体のIP受容体に結合することでその構造を変化させ、小胞体内に存在するカルシウムイオンを細胞質(本方法(II−4)では穴部11)へ放出させる。放出されたカルシウムイオンは、カルシウムイオン感受性蛍光色素37と結合し、蛍光強度を増加させる。このように、これら一連の反応を介して、脂質二分子膜14の伸展により活性化した代謝型膜タンパク質13Bの活性を測定することができる。 When the lipid bilayer 14 is extended by the extension means 20, the metabotropic membrane protein 13B is activated. Then, the guanosine diphosphate (GDP) -binding G protein existing in the hole 11 and associated with the metabotropic membrane protein 13B is replaced with a guanosine triphosphate (GTP) -binding G protein. Activates phospholipase C (PLC) downstream of the signal transduction pathway. PLC is to metabolize PI (4,5) P 2 which is one of phosphatidylinositol lipid bilayer produce inositol triphosphate (IP 3). IP 3 changes its structure by binding to the IP 3 receptor of the endoplasmic reticulum, and releases calcium ions present in the endoplasmic reticulum into the cytoplasm (hole 11 in this method (II-4)). The released calcium ions bind to the calcium ion-sensitive fluorescent dye 37 and increase the fluorescence intensity. Thus, the activity of the metabotropic membrane protein 13B activated by the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be measured through these series of reactions.

細胞質抽出物36は、Gタンパク質共役型受容体を発現する細胞や組織から公知の方法により調製できる。
例えば、細胞の場合は、下記の方法が挙げられる。培養ディッシュ(直径10cm)に播種した細胞を細胞間の隙間がなくなるまで培養する。次いで、細胞をリン酸緩衝液(PBS)で3度洗浄し、セルスクレーバーで細胞を掻き取り、1.5mlセーフロックチューブに入れ、5000rpm(4℃)で遠心して細胞を回収する。次いで、得られた細胞のペレットに純水50μLを加え、10分間氷上にて静置し、低浸透圧刺激により細胞膜を破壊する。その後、ペレットを吸い込まないように上清をとり、プロテアーゼ阻害剤を加えて細胞質抽出画分36とする。
The cytoplasmic extract 36 can be prepared by a known method from cells or tissues that express a G protein-coupled receptor.
For example, in the case of cells, the following methods can be mentioned. The cells seeded in a culture dish (diameter 10 cm) are cultured until there is no gap between the cells. Next, the cells are washed three times with a phosphate buffer (PBS), scraped off with a cell scraper, placed in a 1.5 ml safe lock tube, and centrifuged at 5000 rpm (4 ° C.) to recover the cells. Next, 50 μL of pure water is added to the obtained cell pellet, and the mixture is allowed to stand on ice for 10 minutes, and the cell membrane is destroyed by low osmotic pressure stimulation. Thereafter, the supernatant is taken so as not to suck the pellet, and a protease inhibitor is added to obtain a cytoplasmic extract fraction 36.

カルシウムイオン感受性蛍光色素37としては、例えば、fura−2、fluo−3、fluo−4などが挙げられる。
穴部11の内部におけるカルシウムイオン感受性蛍光色素37の濃度は、蛍光強度の変化によりGタンパク質共役型受容体の活性を測定できる量であればよく、100nM〜500μMが好ましく、1μM〜100μMがより好ましい。
Examples of the calcium ion sensitive fluorescent dye 37 include fura-2, fluo-3, and fluo-4.
The concentration of the calcium ion sensitive fluorescent dye 37 inside the hole 11 may be an amount that can measure the activity of the G protein-coupled receptor by a change in fluorescence intensity, preferably 100 nM to 500 μM, and more preferably 1 μM to 100 μM. .

方法(III):
システム2において、膜タンパク質13がイオンチャネル型膜タンパク質13Aであり、脂質二分子膜14上に、膜タンパク質を透過するイオン38を含む緩衝液15が配置されており、図8に示すように、伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展して、第1の電極16および第2の電極17間の電流を測定する。
伸展手段20により脂質二分子膜14を伸展すると、その刺激に伴ってイオンチャネル型膜タンパク質13Aの構造が変化し、膜貫通部分のイオンチャネルが開いて穴部11にイオン38が流入する。このイオン38の流入により、第1の電極16および第2の電極17間で電流が検出されるので、脂質二分子膜14の伸展によるイオンチャネル型膜タンパク質13Aの活性の変化を測定できる。
Method (III):
In the system 2, the membrane protein 13 is an ion channel type membrane protein 13A, and a buffer solution 15 containing ions 38 that permeate the membrane protein is disposed on the lipid bilayer membrane 14, and as shown in FIG. The lipid bilayer 14 is stretched by the stretching means 20 and the current between the first electrode 16 and the second electrode 17 is measured.
When the lipid bilayer 14 is stretched by the stretching means 20, the structure of the ion channel membrane protein 13 </ b> A changes with the stimulation, and the ion channel at the transmembrane portion opens and ions 38 flow into the hole 11. Since the current is detected between the first electrode 16 and the second electrode 17 due to the inflow of the ions 38, the change in the activity of the ion channel membrane protein 13A due to the extension of the lipid bilayer membrane 14 can be measured.

イオン38は、方法(II−1)で挙げたイオン31と同じものが使用できる。
緩衝液15中のイオン38の濃度は、電流が充分に検出できる量であればよく、1nM〜500mMが好ましく、10μM〜150mMがより好ましい。
穴部11の内部には、緩衝液を配置しておく。穴部11の内部に配置する緩衝液は、脂質二分子膜14上に配置する緩衝液15と同じ緩衝液であることが好ましい。
As the ions 38, the same ions as the ions 31 mentioned in the method (II-1) can be used.
The concentration of the ions 38 in the buffer solution 15 may be an amount that can sufficiently detect the current, preferably 1 nM to 500 mM, more preferably 10 μM to 150 mM.
A buffer solution is placed inside the hole 11. The buffer solution arranged inside the hole 11 is preferably the same buffer solution as the buffer solution 15 arranged on the lipid bilayer membrane 14.

以上説明した本発明の膜タンパク質機能測定システムおよび膜タンパク質機能測定方法によれば、膜タンパク質機能測定基板の穴部上に設けた脂質二分子膜を伸展したときの膜タンパク質の活性の変化を測定することができる。また、方法(I)と、方法(II)または方法(III)との併用、すなわち、AFMなどの観察手段と、光学的もしくは電気的な活性の測定を併用することにより、脂質二分子膜を伸展したときの該脂質二分子膜中の受容体の密度変化と活性の関係を測定することができる。   According to the membrane protein function measuring system and the membrane protein function measuring method of the present invention described above, the change in the activity of the membrane protein when the lipid bilayer provided on the hole of the membrane protein function measuring substrate is extended is measured. can do. Further, by combining the method (I) with the method (II) or the method (III), that is, using an observation means such as AFM and measurement of optical or electrical activity, a lipid bilayer membrane is obtained. The relationship between the density change of the receptor in the lipid bilayer when stretched and the activity can be measured.

尚、本発明の膜タンパク質機能測定方法は、前述の方法には限定されない。例えば、方法(I)においてイオンチャネル型膜タンパク質のみを用いてもよく、代謝型膜タンパク質のみを用いてもよい。また、方法(II)、方法(III)において、膜タンパク質としてイオンチャネル型膜タンパク質と代謝型膜タンパク質の両方を用いて測定してもよい。   In addition, the membrane protein function measuring method of this invention is not limited to the above-mentioned method. For example, in the method (I), only the ion channel membrane protein may be used, or only the metabolite membrane protein may be used. Further, in the methods (II) and (III), measurement may be performed using both ion channel membrane proteins and metabotropic membrane proteins as membrane proteins.

以下、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明する。ただし、本発明は以下の記載によっては限定されない。
本実施例における蛍光像の観察は、共焦点レーザースキャン顕微鏡(商品名:LSM510、ツァイス製)を用いて行った。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples and Comparative Examples. However, the present invention is not limited by the following description.
The fluorescence image in this example was observed using a confocal laser scanning microscope (trade name: LSM510, manufactured by Zeiss).

[実験例1]
卵黄由来のフォスファチジルコリンをクロロホルムに溶解し、アルゴンガス雰囲気下で乾燥し、最終濃度160μg/mLで緩衝液(10mMTris−HCl、pH7.4)に溶解した。該緩衝液を超音波破砕機で処理し、脂質小胞を作製した。次いで、前記脂質小胞に、20質量%のフルオレセインで蛍光標識した脂質(フルオレセイン結合ジヘキサデカノイルグリセロフォスフォエタノールアミン)を最終濃度40μg/mLとなるように加えて、さらに脂質小胞を作製することで、蛍光により観察可能な脂質二分子膜を作製した。該脂質小胞を含む緩衝液に蛍光色素(アレクサ647、最大励起波長650nm、最大蛍光波長668nm、He−Neレーザ使用、最終濃度500μM)を混合し、その状態で穴部(ナノウェル)を有する基板へのベシクルフュージョンを行った。その後、該基板の蛍光像を観察したところ、基板の穴部にてアレクサ647由来の蛍光が観察された(図9(a)、測定領域500×500μm)。基板上に配置した前記緩衝液を、脂質を含まない緩衝液(10mMTris−HCl、pH7.4)で10回置換し、不要物を除去した。その後、該基板の蛍光像を観察したところ、脂質二分子膜が基板に接着している様子が観察され、脂質二分子膜で覆われた部分(図9(b))の穴部にのみアレクサ647由来の蛍光が観察されたことから、該穴部は脂質二分子膜で充分に覆われて密閉されていることが分かった。
[Experimental Example 1]
Phosphatidylcholine derived from egg yolk was dissolved in chloroform, dried under an argon gas atmosphere, and dissolved in a buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 7.4) at a final concentration of 160 μg / mL. The buffer solution was treated with an ultrasonic crusher to prepare lipid vesicles. Next, lipid (fluorescein-bound dihexadecanoylglycerophosphoethanolamine) fluorescently labeled with 20% by mass of fluorescein is added to the lipid vesicles to a final concentration of 40 μg / mL to further prepare lipid vesicles. By doing so, a lipid bilayer membrane that can be observed by fluorescence was prepared. A fluorescent dye (Alexa 647, maximum excitation wavelength 650 nm, maximum fluorescence wavelength 668 nm, He-Ne laser used, final concentration 500 μM) is mixed with the buffer containing the lipid vesicles, and a substrate having a hole (nanowell) in that state A vesicle fusion was conducted. Then, when the fluorescence image of this board | substrate was observed, the fluorescence derived from Alexa 647 was observed in the hole of the board | substrate (FIG. 9 (a), measurement area | region 500 * 500 micrometer). The buffer solution arranged on the substrate was replaced 10 times with a lipid-free buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 7.4) to remove unnecessary substances. Thereafter, when the fluorescence image of the substrate was observed, it was observed that the lipid bilayer membrane was adhered to the substrate, and the alexa was only in the hole portion covered with the lipid bilayer membrane (FIG. 9B). From the fact that fluorescence derived from 647 was observed, it was found that the hole was sufficiently covered and sealed with a lipid bilayer membrane.

[実験例2]
ジパルミトイルフォスファチジルコリン、1,2−ジラウロイル−sn−グリセロ−3−フォスフェート、1,2−ジパルミトイル−sn−グリセロ−3−フォスフォチオエタノールを75:23:2の比率で混合し、200μg/mLの濃度で緩衝液(10mMTris−HCl、pH7.4)に溶解して脂質小胞を作製した。該脂質小胞を含む緩衝液を、穴部(ナノウェル)を有する基板に滴下し、穴部を覆う脂質二分子膜を作製し、該脂質二分子膜をAFMの深針により伸展し、AFMにより観察した(図10)。図10における秒数は、伸展の開始時を0秒とした観察経過時間を意味する。
穴部を覆う脂質二分子膜は、その高さ情報から、平らに形成されていることが分かった(図10(a)、15秒)。AFMの深針による機械刺激を次第に強くしていくと、穴部を覆った脂質二分子膜は該穴部の内部側へと押し伸ばされた(図10(a)、15秒〜215秒)。その後、機械刺激を弱くしていくと、押し伸ばされた脂質二分子膜は元のように平らになった(図10(a)、215〜255秒)。このように、本条件では伸展刺激を与えている状態でも、脂質二分子膜が移動することなく基板に接着していることがわかった。
一方、平らに戻った脂質二分子膜に対し、さらに強く機械刺激を加えていくと、最後には穴部を覆っている脂質二分子膜が破れ(図10(b)、110秒)、穴部の左方向に向かって脂質二分子膜が引き剥がされた(図10(b)、140秒)。このとき、高さ情報から穴部では、脂質二分子膜が破れている状態であることがわかった。
[Experiment 2]
Dipalmitoyl phosphatidylcholine, 1,2-dilauroyl-sn-glycero-3-phosphate, 1,2-dipalmitoyl-sn-glycero-3-phosphothioethanol were mixed at a ratio of 75: 23: 2. Lipid vesicles were prepared by dissolving in a buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 7.4) at a concentration of 200 μg / mL. The buffer containing the lipid vesicles is dropped onto a substrate having a hole (nanowell) to produce a lipid bilayer membrane covering the hole, and the lipid bilayer is extended with an AFM deep needle, Observed (FIG. 10). The number of seconds in FIG. 10 means the observation elapsed time when the start of extension is 0 second.
The lipid bilayer membrane covering the hole was found to be formed flat from the height information (FIG. 10 (a), 15 seconds). When the mechanical stimulation by the AFM deep needle was gradually increased, the lipid bilayer membrane covering the hole was stretched to the inside of the hole (FIG. 10 (a), 15 seconds to 215 seconds). . Thereafter, when the mechanical stimulation was weakened, the stretched lipid bilayer became flat as it was (FIG. 10 (a), 215 to 255 seconds). Thus, it was found that the lipid bilayer did not move and adhered to the substrate even under the condition of applying the extension stimulus under this condition.
On the other hand, when mechanical stimulation is further applied to the lipid bilayer membrane that has returned to the flat state, the lipid bilayer membrane covering the hole is finally broken (FIG. 10 (b), 110 seconds). The lipid bilayer was peeled toward the left of the part (FIG. 10 (b), 140 seconds). At this time, it was found from the height information that the lipid bilayer was broken in the hole.

[実施例1]
バクテリオロドプシン(BR)75質量%および脂質二分子膜25質量%の複合体膜(紫膜)を5μg/mLの濃度で緩衝液(10mMTris−HCl、pH8.0、1MKCl)に溶解し、マイカ基板上に滴下して、30分間室温で静置した。その後、紫膜を含まない緩衝液で10回置換し、マイカ基板に接着していない紫膜を洗い流した。マイカ基板に接着した紫膜は高さが均一な膜状の構造(図11(a)、(b))であり、拡大すると分子が規則的に並んでいる様子が観察された(図11(c))。この観察結果を、D. J. Muller等の研究結果(Journal of Molecular Biology (1999) 285, 1903-1909)と比較したところ、図11(c)における領域X内の分子は三量体のBRタンパク質であると考えられた。
一方、穴部を有する基板に、前記と同様に紫膜を接着させ、該穴部上にあるBRタンパク質の観察を行った(図12、(a))。穴部を覆う紫膜は平らではなく撓んだ状態であった(図12、(b))。この状態でも、個々のBRタンパク質の三量体が観察できた(図12(c)、領域Y)。この観察では、AFMの深針により脂質二分子膜を伸展する刺激によっては、BRタンパク質の顕著な構造変化は観察されず、三量体構造が保たれていた。対照的に、三量体構造間の距離は大きく変化しており、脂質二分子膜内におけるBRタンパク質の局在は変化することが明らかとなった。
このように、本発明の測定方法により、脂質二分子膜を伸展した状態で、膜タンパク質の構造や、膜タンパク質同士の位置関係を観察することができた。
[Example 1]
A complex membrane (purple membrane) of 75% by mass of bacteriorhodopsin (BR) and 25% by mass of lipid bilayer membrane was dissolved in a buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 8.0, 1MKCl) at a concentration of 5 μg / mL, and a mica substrate It was dripped on and left still at room temperature for 30 minutes. Thereafter, the membrane was replaced 10 times with a buffer solution containing no purple membrane, and the purple membrane not adhered to the mica substrate was washed away. The purple film adhered to the mica substrate has a film-like structure with uniform height (FIGS. 11A and 11B), and when enlarged, it was observed that the molecules are regularly arranged (FIG. 11 ( c)). When this observation result was compared with the research result of DJ Muller et al. (Journal of Molecular Biology (1999) 285, 1903-1909), the molecule in region X in FIG. 11 (c) is a trimeric BR protein. It was considered.
On the other hand, a purple membrane was adhered to a substrate having a hole as described above, and the BR protein on the hole was observed (FIG. 12, (a)). The purple membrane covering the hole was not flat but bent (FIG. 12, (b)). Even in this state, trimers of individual BR proteins could be observed (FIG. 12 (c), region Y). In this observation, a significant structural change of the BR protein was not observed by the stimulation of extending the lipid bilayer with the AFM deep needle, and the trimeric structure was maintained. In contrast, the distance between the trimer structures was greatly changed, and it was revealed that the localization of the BR protein in the lipid bilayer membrane was changed.
Thus, with the measurement method of the present invention, the structure of the membrane protein and the positional relationship between the membrane proteins could be observed with the lipid bilayer stretched.

[実施例2]
卵黄由来フォスファチジルコリンを160μg/mLの濃度で緩衝液(10mMTris−HCl、pH7.4)に溶解し、穴部を有する基板上に滴下して、該穴部上に脂質二分子膜を作製し、該脂質二分子膜にNMDA受容体を含むプロテオリポソームを融合して受容体を挿入した。穴部の内部には、カルシウム感受性蛍光色素であるfluo−4(10μM)を加え、穴部の外部の緩衝液(10mMTris−HCl、pH7.4)には2mMCaClを加えた。脂質二分子膜を伸展(開始時を0秒)すると、観察領域の蛍光強度が増加した(図13(a))。この時の基板の状態を蛍光観察すると、穴部において脂質二分子膜の伸展に伴った蛍光が観測された(図13(b))。この結果、NMDA受容体は脂質二分子膜の伸展により活性化し、穴部外部に存在するカルシウムイオンを穴部内部に透過したことが明らかとなった。
[Example 2]
Egg yolk-derived phosphatidylcholine is dissolved in a buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 7.4) at a concentration of 160 μg / mL, and dropped onto a substrate having a hole to produce a lipid bilayer film on the hole. Then, the receptor was inserted by fusing a proteoliposome containing NMDA receptor to the lipid bilayer. Fluoro-4 (10 μM), which is a calcium-sensitive fluorescent dye, was added to the inside of the hole, and 2 mM CaCl 2 was added to the buffer solution (10 mM Tris-HCl, pH 7.4) outside the hole. When the lipid bilayer was stretched (starting at 0 second), the fluorescence intensity in the observation region increased (FIG. 13 (a)). When the state of the substrate at this time was observed with fluorescence, fluorescence associated with the extension of the lipid bilayer was observed in the hole (FIG. 13B). As a result, it was clarified that the NMDA receptor was activated by the extension of the lipid bilayer and permeated calcium ions existing outside the hole into the hole.

[実施例3]
穴部の内部および外部にそれぞれ電極を設けた以外は、実施例2と同様にして穴部にNMDA受容体を含む脂質二分子膜を作製した。AFMの深針により該脂質二分子膜を伸展したところ、電極間の電流値が変化した(図13(c))。
脂質二分子膜には精製したNMDA受容体を挿入していることから、この電流値の変化は脂質二分子膜の伸展によりNMDA受容体が活性化したためであると考えられた。
[Example 3]
A lipid bilayer membrane containing an NMDA receptor in the hole was prepared in the same manner as in Example 2 except that electrodes were provided inside and outside the hole, respectively. When the lipid bilayer was extended with an AFM deep needle, the current value between the electrodes changed (FIG. 13C).
Since the purified NMDA receptor was inserted into the lipid bilayer membrane, this change in current value was thought to be due to the activation of the NMDA receptor by the extension of the lipid bilayer membrane.

本発明は、脂質二分子膜の伸展に関係する膜タンパク質の機能を解析するための測定システムおよび測定方法として有用であり、例えば、心筋梗塞や高血圧など、体内における脂質二分子膜の伸展に関わる膜タンパク質のスクリーニングシステムとして好適に利用できる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention is useful as a measurement system and a measurement method for analyzing the function of a membrane protein related to the extension of a lipid bilayer, and relates to the extension of a lipid bilayer in a body such as myocardial infarction and hypertension. It can be suitably used as a membrane protein screening system.

1、1A〜1E、2 膜タンパク質機能測定システム 10 膜タンパク質機能測定用基板 11 穴部 12 基板本体 13 膜タンパク質 13A イオンチャネル型膜タンパク質 13B 代謝型膜タンパク質 14 脂質二分子膜 15 緩衝液 16 第1の電極 17 第2の電極 20 伸展手段 31 イオン 32 イオン感受性蛍光色素 33 核酸 34 核酸結合性蛍光色素 35 リガンド分子 36 細胞質抽出画分 37 カルシウムイオン感受性蛍光色素 38 イオン   1, 1A-1E, 2 Membrane Protein Function Measurement System 10 Membrane Protein Function Measurement Substrate 11 Hole 12 Substrate Body 13 Membrane Protein 13A Ion Channel Type Membrane Protein 13B Metabolic Membrane Protein 14 Lipid Bilayer 15 Buffer 16 Electrode 17 second electrode 20 extension means 31 ion 32 ion sensitive fluorescent dye 33 nucleic acid 34 nucleic acid binding fluorescent dye 35 ligand molecule 36 cytoplasmic extract fraction 37 calcium ion sensitive fluorescent dye 38 ion

Claims (9)

穴部を有する基板本体の、該穴部の開口が膜タンパク質を含む脂質二分子膜に覆われており、該脂質二分子膜上に緩衝液が配置された膜タンパク質機能測定用基板と、
前記脂質二分子膜を伸展する伸展手段と、
を具備する膜タンパク質機能測定システム。
A substrate for measuring a membrane protein function, wherein the opening of the substrate body having a hole is covered with a lipid bilayer membrane containing a membrane protein, and a buffer solution is disposed on the lipid bilayer membrane,
Stretching means for stretching the lipid bilayer;
A membrane protein function measuring system comprising:
前記伸展手段が走査プローブ顕微鏡の深針である、請求項1に記載の膜タンパク質機能測定システム。   The membrane protein function measuring system according to claim 1, wherein the extension means is a deep needle of a scanning probe microscope. 更に、前記脂質二分子膜の表面構造を観察する観察手段を具備する、請求項1または2に記載の膜タンパク質機能測定システム。   The membrane protein function measuring system according to claim 1 or 2, further comprising observation means for observing the surface structure of the lipid bilayer membrane. 更に、前記基板における前記穴部の外部に設けられた第1の電極と、前記穴部の内部に設けられた第2の電極とを具備する、請求項1〜3のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システム。   Furthermore, the film | membrane in any one of Claims 1-3 which comprises the 1st electrode provided in the exterior of the said hole part in the said board | substrate, and the 2nd electrode provided in the inside of the said hole part. Protein function measurement system. 請求項1〜3のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、
前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、
前記穴部の内部に、膜タンパク質を透過するイオンに結合して蛍光を発するイオン感受性蛍光色素が配置され、かつ前記脂質二分子膜上に、膜タンパク質を透過するイオンを含む緩衝液が配置されており、
前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記イオンチャネル型膜タンパク質のイオンの透過を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of claims 1 to 3,
The membrane protein is an ion channel membrane protein;
An ion-sensitive fluorescent dye that emits fluorescence by binding to ions that permeate the membrane protein is disposed inside the hole, and a buffer containing ions that permeate the membrane protein is disposed on the lipid bilayer membrane. And
A membrane protein function measuring method comprising: measuring the function of a membrane protein by extending the lipid bilayer membrane by the extension means, measuring the ion permeation of the ion channel membrane protein from a change in fluorescence intensity.
請求項1〜3のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、
前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、
前記穴部の内部に、核酸が配置され、かつ前記脂質二分子膜上に、核酸に結合して蛍光が増強する核酸結合性蛍光色素を含む緩衝液が配置されており、
前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記イオンチャネル型膜タンパク質の前記核酸結合性蛍光色素の透過を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of claims 1 to 3,
The membrane protein is an ion channel membrane protein;
Inside the hole, a nucleic acid is arranged, and on the lipid bilayer membrane, a buffer solution containing a nucleic acid-binding fluorescent dye that binds to the nucleic acid and enhances fluorescence is arranged,
A membrane protein function measuring method for measuring the function of a membrane protein by extending the lipid bilayer membrane by the extension means, measuring the transmission of the nucleic acid binding fluorescent dye of the ion channel membrane protein from a change in fluorescence intensity .
請求項1〜3のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、
前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、
前記穴部の内部に、蛍光標識した細胞外情報伝達物質が配置されており、
前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記細胞外情報伝達物質の前記穴部の内部から外部への前記イオンチャネル型膜タンパク質を介した移動を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of claims 1 to 3,
The membrane protein is an ion channel membrane protein;
Inside the hole, a fluorescently labeled extracellular information transmitting substance is disposed,
The lipid bilayer is stretched by the stretching means, and the movement of the extracellular information transmitting substance from the inside of the hole to the outside through the ion channel membrane protein is measured from a change in fluorescence intensity, A membrane protein function measuring method for measuring protein function.
請求項1〜3のいずれかに記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、
前記膜タンパク質が代謝型膜タンパク質であり、
前記穴部の内部に、細胞質抽出画分、およびカルシウムイオンに結合して蛍光を発するカルシウムイオン感受性蛍光色素が配置されており、
前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、細胞内シグナル伝達系を介した小胞体からのカルシウムイオンの放出を蛍光強度の変化から測定し、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to any one of claims 1 to 3,
The membrane protein is a metabotropic membrane protein;
Inside the hole, a cytoplasmic extract fraction, and a calcium ion sensitive fluorescent dye that emits fluorescence by binding to calcium ions are arranged,
Membrane protein function measurement in which the lipid bilayer is stretched by the stretching means, and the release of calcium ions from the endoplasmic reticulum via an intracellular signal transduction system is measured from the change in fluorescence intensity to measure the function of the membrane protein. Method.
請求項4に記載の膜タンパク質機能測定システムを用いた膜タンパク質の機能の測定方法であって、
前記膜タンパク質がイオンチャネル型膜タンパク質であり、
前記脂質二分子膜上に、膜タンパク質を透過するイオンを含む緩衝液が配置されており、
前記伸展手段により前記脂質二分子膜を伸展して、前記第1の電極および第2の電極の間を流れる電流を測定して、膜タンパク質の機能を測定する膜タンパク質機能測定方法。
A method for measuring the function of a membrane protein using the membrane protein function measuring system according to claim 4,
The membrane protein is an ion channel membrane protein;
A buffer solution containing ions that permeate membrane proteins is disposed on the lipid bilayer membrane,
A membrane protein function measuring method for measuring a function of a membrane protein by extending the lipid bilayer by the extension means and measuring a current flowing between the first electrode and the second electrode.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2017038539A (en) * 2015-08-18 2017-02-23 日本電信電話株式会社 Lipid bilayer membrane substrate
JP2018134008A (en) * 2017-02-20 2018-08-30 日本電信電話株式会社 Lipid bimolecular membrane substrate and manufacturing method thereof
JP2019095243A (en) * 2017-11-20 2019-06-20 国立大学法人金沢大学 Method for preparing sample for observation of organelle by high speed atomic force microscopy

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