金ナノ粒子のモデル生体膜への侵入挙動: 分子動力学シミュレーションによる解析

摘要

This paper presents molecular dynamics (MD) simulations of penetration behavior of gold nanoparticles into a model biological membrane (lipid bilayer). Gold nanoparticles functionalized with alkanethiol ligands having different charge properties and different alkyl chain lengths were used as model particles. Effects of the particle surface properties on the nanoparticle penetration behavior into a lipid bilayer were investigated. The simulation results showed that the neutral and negatively charged gold nanoparticles did not penetrate into the lipid bilayer, while a positively charged gold nanoparticle spontaneously penetrated into the lipid bilayer and highly disrupted original structure of the lipid bilayer. However, positively charged gold nanoparticles modified by longer alkyl chain than that of lipid molecules were internalized into hydrophobic interior of the lipid bilayer without any disruption of the lipid bilayer. The simulation results can pro-vide insight into design of the nanoparticles at molecular level to achieve various bio-applications of the gold nanoparticles.%アルカンチオールで表面修飾した金ナノ粒子のモデル生体膜(リン脂質二重膜)への付着•侵人挙動をMDシミュレーションにより解析した。特に，粒子の表面電荷特性および修飾分子の鎖長が付着•侵入挙動に及ぼす影響について解析を行った。正に帯電した金ナノ粒子は電気的に中性および負帯電性の粒子とは異なり，生体膜内に自発的に侵入することが分かった。さらに，正帯電性粒子の表面電荷密度を過度に増大させると，生体膜下層のリン脂質頭部を粒子が引き付ける結果，生体膜の元の二重膜構造が変化し，膜を局所的に破断することも分かった。これより，生体膜透過能を向上させるには粒子表面を正帯電させることが有効であるが，過度に正帯電させた粒子は生体膜の欠損を引き起こす可能性があることが示唆された。また，同じ正帯電性粒子であっても修飾分子鎖長が生体膜を構成するリン脂質の疎水性尾部のよりも短い場合，膜の破断を引き起こすが，修飾分子鎖長がリン脂質の疎水性尾部よりも長い場合，静電引力で粒子に引き付けられたリン脂質の配向が変化し，その疎水鎖を粒子に向けて付着するようになる。その結果，粒子は生体膜下層を破壊せず，膜の破断•欠損が起こらないことが分かった。以上の結果より，ナノ粒子の表面物性は生体膜への付着•侵入過程を大きく変化させることが明らかとなった。これは，ナノ粒子の表面物性を適切に設計することで，粒子の生体膜への付着•侵入挙動を制御可能であることを意味している。