細胞膜の電気的応答に方向依存性（異方性）を発見 －イオンチャネル制御や再生医療技術開発など幅広い応用へ期待－

細胞膜の電気的応答に方向依存性（異方性）を発見－イオンチャネル制御や再生医療技術開発など幅広い応用へ期待－

2025年10月 9日 11:00 | プレスリリース?研究成果

【本学研究者情报】

〇电気通信研究所　教授　平野爱弓

【概要】

慶應義塾大学理工学部の山本詠士准教授、東北大学電気通信研究所の陰山弘典大学院生（大学院医工学研究科）および平野愛弓教授（材料科学高等研究所 (WPI-AIMR) ?大学院医工学研究科兼務）らの共同研究グループは、分子動力学シミュレーションと人工細胞膜実験を組み合わせることで、生体膜に対する電場作用の新しい側面を解明しました。従来広く研究されてきた膜垂直方向の電場とは異なり、膜水平方向の電場が脂質二重膜の構造を顕著に変化させることを明らかにしました。

生体膜は细胞内外を仕切る単なるバリアではなく、イオンチャネルや受容体など多様な膜タンパク质の机能を支える能动的なプラットフォームです。その物理的性质は电场の影响を强く受けるものですが、これまでは主に膜厚方向の电场が注目されてきました。しかし、実际の生体内では上皮细胞の密着结合部位やナノポア内のイオン流束に伴って膜水平方向にも电场が発生します。こうした「水平电场」の作用机构は十分に理解されていませんでした。

本研究では、顿翱笔颁とコレステロールからなるモデル膜を対象にシミュレーションと明视野観察を行い、膜水平／垂直电场の効果を検讨しました。その结果、膜水平电场は膜面积の収缩と脂质锁の秩序化を引き起こし、コレステロールを含む膜でも顕着な构造変化を诱発することが明らかになりました。一方で、膜垂直电场は同じ强度ではほとんど影响を与えませんでした。さらに、人工的に形成した脂质平面膜に电圧を印加した実験では、膜水平电圧が膜面积を缩小させるのに対し、膜垂直电圧では顕着な変化が见られず、シミュレーションの结果を里付けました。

本成果により、生体膜は电场の方向によって全く异なる応答を示すことが初めて実証されました。これは、生体膜に対する电気的作用を叁次元的に捉える新しい概念を提示するものであり、

?イオンチャネルなど膜タンパク质の机能制御手法の开発
?电気刺激を用いた创薬や再生医疗技术の开発
?新规バイオエレクトロニクスデバイスの设计

といった幅広い分野への応用が期待されます。今后は、より生理的条件に近いシステムでの検証や、膜タンパク质との相互作用解析を进めることで、生命科学や医工学の新たな展开に寄与することが见込まれます。

本研究成果は2025年10月6日、米国化学会「The Journal of Physical Chemistry Letters」に掲載されました。

図1. 膜水平電場印加時の膜構造変化（上段：シミュレーション結果、下段：実験結果）

【论文情报】

タイトル：Distinct Structural Responses of Lipid Bilayers to Horizontal and Vertical Electric Fields
著者：Hironori Kageyama, Maki Komiya, Eiji Yamamoto, and Ayumi Hirano-Iwata,
掲載誌：The Journal of Physical Chemistry Letters
顿翱滨：

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