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Jun 29, 2023

콜레스테롤의 엔트로피 반발

Nature 618권, 733~739페이지(2023)이 기사 인용 12k 액세스 75 Altmetric Metrics 세부 정보 접착 제어는 특히 관심을 끄는 생물체의 놀라운 특징입니다.

Nature 618권, 733~739페이지(2023)이 기사 인용

12,000회 액세스

75 알트메트릭

측정항목 세부정보

접착 제어는 기술 번역과 관련하여 특히 관심을 끄는 생물의 놀라운 특징입니다. 우리는 콜레스테롤 층의 계면 배향 변동으로 인한 엔트로피 반발력이 단백질 흡착과 박테리아 부착을 제한한다는 것을 발견했습니다. 더욱이, 우리는 본질적으로 접착성인 왁스 에스테르 층이 소량(10wt% 미만)의 콜레스테롤을 함유할 때 유사하게 항생착성이 된다는 것을 발견했습니다. 습윤, 흡착 및 접착 실험과 원자론적 시뮬레이션을 통해 반발 특성은 제한되지 않은 초분자 조립체의 경계면에서 정밀하게 균형 잡힌 변동하는 재배향을 암호화하는 콜레스테롤의 특정 분자 구조에 따라 달라지는 것으로 나타났습니다. 즉, 미세한 분자 변화에서만 다른 콜레스테롤 유사체 층입니다. 현저하게 다른 계면 이동성을 보였고 항유착 효과는 없었습니다. 또한 방향적으로 고정된 콜레스테롤 층은 생체접착에 저항하지 않았습니다. 우리의 통찰력은 바이오 인터페이스에 대한 개념적으로 새로운 물리화학적 관점을 제공하고 접착 조절에 있어 미래의 재료 설계를 안내할 수 있습니다.

생명은 접착을 제어하기 위한 수많은 강력한 원리를 발전시켰으며, 그 중 일부는 공학적 재료에 요약되어 있습니다. 대표적인 예로는 신성한 연꽃의 초소수성 잎1과 네펜테스 투수식물2의 전소수성 표면이 있습니다. 자연의 계면 현상은 널리 연구되고 있지만, 생체고분자 및 세포(박테리아 포함)의 계면 축적인 생체접착의 제어에 기초가 되는 물리적 메커니즘은 아직 완전히 이해되지 않았습니다. 우리는 이전에 Collembola의 전형성, 항생체접착성 표피를 조사한 결과(그림 1a) 이것이 습윤 및 박테리아 식민지화를 방지하는 돌출된 단면 프로파일(그림 1b,c)을 가진 나노 구조로 구성되어 있음을 발견했습니다3,4,5,6. 나중에 생체 접착에 대한 또 다른 '방어선' 역할을 하는 것으로 간주되는 Collembola 큐티큘라의 지질이 풍부한 외피(그림 1c)에는 지방족 탄화수소, 특히 스테로이드, 지방산 및 왁스 에스테르가 포함되어 있는 것으로 나타났습니다(그림 1d 및 그림 1d). 확장 데이터 그림 1)7. 왁스 에스테르는 큐티클의 비습윤 특성을 뒷받침한다고 합리적으로 가정할 수 있지만8 스테로이드와 지방산의 역할은 파악하기 어렵습니다. 유리 지방산은 박테리아와 곰팡이의 성장을 죽이거나 억제하는 것으로 보고되었으며9,10, 스테로이드는 해면과 불가사리의 생체 부착을 감소시키는 것으로 밝혀졌습니다11. 그러나 스테로이드의 이러한 효과에 대한 기계적 설명은 없습니다. Collembola cuticula의 양친매성 지질 성분은 분자 기계의 구획화 및 기능적 정렬에 중요한 역할을 하는 동물 및 박테리아 세포의 막에도 포함되어 있습니다. 특히 콜레스테롤은 포괄적으로 연구되었으며 그 존재는 기능성 지질 도메인의 조절과 단백질과 지질 간의 상호 작용에 중요한 것으로 간주됩니다13. 그러나 세포막 이외의 살아있는 구조의 경계면에서 콜레스테롤의 기능적 관련성은 충분히 탐구되지 않았습니다.

a, 대표적인 Collembola sp.인 Tetrodontophora bielanensis의 이미지. 스케일 바, 1mm. b, T. bielanensis cuticula의 주사 전자 현미경 이미지. 스케일 바, 500nm. c, 단백질이 풍부한 층으로 덮인 키틴이 풍부한 내부 골격으로 구성된 층상 구조를 보여주는 표피의 단면 개략도. 얇고 지질이 풍부한 외피가 단백질이 풍부한 층을 덮고 있습니다. 스케일 바, 200nm. d, T. bielanensis7의 외부 표피층에서 검출된 지질 요약. e, 콜렘볼라 큐티클 지질층; 콜레스테롤을 함유한 SCL은 환경의 극성에 대한 최상부 지질의 방향적 적응을 촉진합니다. ATR-FTIR(보조 그림 2) 및 동적 접촉각 측정(그림 2c 및 확장 데이터 그림 4a)은 외부 콜레스테롤 층의 탄화수소 꼬리가 처음에 경계면을 향하고 수산기 그룹이 방향을 향하는 고도로 정렬된 콜레스테롤 분자를 나타냅니다. 내심. 콜레스테롤의 극성 또는 비극성 측면이 경계면을 향하도록 티올 그룹을 통해 금에 화학적으로 흡착된 SAM은 선택된 실험에서 참고 자료로 사용되었습니다. f – i, 흡착된 단백질 양(f,i) 및 정규화된 부착 세포(g,h). 석영 결정 미세저울 측정에 의해 결정된 Collembola 큐티클 지질(f) 및 스테아릴 팔미테이트 및 콜레스테롤의 다성분 SCL(i)의 단일 성분 층에 흡착된 단백질(리소자임 또는 소 태아 혈청)의 양. Collembola 큐티클 지질(g)의 단일 성분 층과 스테아릴 팔미테이트 및 콜레스테롤의 다성분 SCL(h)에 있는 S. 표피의 표준화된 부착 세포. 데이터는 실리카(SiO2) 기판의 평균 부착 세포 밀도로 정규화되었습니다. h, i, 순수 스테아릴 팔미테이트 SCL(100/0) 및 순수 콜레스테롤 SCL(0/100)은 각각 음성 및 양성 대조군으로 사용되었습니다. f–i, 평균 + sd 관측치 수(n)가 표시됩니다. P 값(f, g의 콜레스테롤 SCL 조건과 h, i의 0/100 조건과의 비교)은 일원 분산 분석을 사용하여 결정되었습니다. AU, 임의 단위.