Lipides et protéines membranaires existant dans les membranes cellulaires, qui sont situés à la couche la plus externe des cellules, sont responsables de la reconnaissance des environnements extracellulaires et du transfert de ces informations à l'intérieur de la cellule. En raison de leur relation profonde avec les infections bactériennes et virales, la réponse immunologique et la transmission neuronale, ce sont des sujets de recherche importants dans les domaines de la biologie, la médecine et le développement de médicaments. Dans le processus de réaction de la reconnaissance externe et du transfert de signal, la formation d'agrégats bidimensionnels de lipides à groupements hydrophiles volumineux, tels que les chaînes de sucre ou les cycles d'inositol, dans les membranes cellulaires sont considérés comme nécessaires. Les petits agrégats de jusqu'à 10 molécules sont appelés clusters, tandis que les agrégats avec plus de molécules et une croissance supplémentaire sont appelés domaines.

Les lipides sont des molécules amphiphiles dérivées d'organismes, et ont à la fois des propriétés hydrophiles et hydrophobes au sein de leurs molécules. De nombreuses études antérieures ont montré que les interactions au niveau de la région hydrophobe, comme la transition de phase et la miscibilité des chaînes hydrocarbonées, jouent un rôle important dans la formation de domaines dans les membranes bicouches lipidiques. D'autre part, les interactions au niveau des régions hydrophiles des lipides n'ont pas été largement étudiées, avec de nombreux facteurs qui restent encore flous. Les interactions se compliquent en raison de la répulsion se produisant par la fluctuation des propriétés hydrophiles dans l'eau, en particulier dans les régions hydrophiles volumineuses comme les chaînes de sucre. La répulsion causée par une telle fluctuation affecte également les mesures via la microscopie à force atomique (AFM) qui peut détecter même la plus petite quantité de force.

Une équipe de recherche dirigée par Ryugo Tero, Professeur agrégé à l'Université de technologie de Toyohashi, a utilisé la microscopie à fluorescence et l'AFM pour examiner en détail des membranes lipidiques artificielles contenant des lipides modifiés par le polymère hydrophile, polyéthylène glycol (PEG) (Figure 1). Les résultats ont révélé que deux types d'agrégats, clusters et domaines, forme en fonction de la concentration en lipides modifiés au PEG, et qu'il n'y a presque pas de fluidité dans les domaines qui apparaissent en raison d'une concentration élevée. Ces agrégats ne sont pas formés par l'interaction de la région hydrophobe des lipides, mais par l'interaction de leur région hydrophile. De façon intéressante, observé avec l'AFM, les domaines lipidiques modifiés par PEG qui auraient dû être volumineux, ont été observés à un niveau inférieur à celui des environs (figure 1B). Le professeur agrégé Tero a mis en œuvre une expérience conjointe avec le professeur Takeshi Fukuma à l'Université de Kanazawa concernant les raisons de cela. En utilisant la modulation de fréquence AFM (FM-AFM), et contrôler avec précision la force entre l'échantillon et la sonde, ils ont pu observer le domaine lipidique modifié par le PEG à un niveau plus élevé que la surface de la membrane lipidique, sans l'application d'aucune force (figure 1C). Étant donné que les répulsions changeront en raison de la fluctuation des chaînes polymères hydrophiles en fonction de la force appliquée, il a été constaté qu'en général, une image inversée de la véritable structure tridimensionnelle apparaît inévitablement dans les conditions d'observation AFM à modulation d'amplitude (AM-AFM).

"Afin d'établir une méthode expérimentale pour examiner l'état et la fonction agrégés des glycolipides, nous avons utilisé des lipides modifiés au PEG qui sont faciles à obtenir au tout début. Nous avons eu du mal à trouver les conditions les plus appropriées pour la préparation des échantillons et l'observation AFM de la membrane bicouche lipidique contenant des lipides modifiés par le PEG. Les résultats étaient très différents des attentes, en particulier en raison du fait que les zones en retrait ont augmenté avec l'augmentation de la concentration de lipides modifiés par le PEG. Pensant qu'il pourrait y avoir eu une erreur, nous avons répété l'expérience et confirmé sa reproductibilité. Intuitivement, il peut sembler peu probable que la région avec des molécules volumineuses apparaisse plus faible avec l'AFM, mais lorsque l'état assemblé du polymère et les principes de base de l'AFM sont pris en compte, c'est effectivement très raisonnable. Lorsque les propriétés concaves-convexes de la surface se sont inversées après le passage à FM-AFM, l'expérience conjointe avec l'université de Kanazawa a atteint son apogée et nous avons crié « Eureka ! » », explique ainsi l'auteur principal, Yasuhiro Kakimoto, actuellement en cours de doctorat (Inscrit au Programme de Leading Graduate School organisé par le ministère de l'Éducation, Culture, Des sports, Science et technologie).

Le chef d'équipe de recherche, Le professeur agrégé Ryugo Tero a déclaré :« Afin de comprendre les fonctions des biomolécules au niveau moléculaire, il est essentiel de comprendre l'apparition des molécules molles, tels que les lipides et les protéines, fluctuant dans l'eau. En réalité, certaines preuves d'expériences contenant de nombreux glycolipides observés à un niveau inférieur avec AM-AFM ont été obtenues pendant environ 10 ans dans plusieurs systèmes. Bien que la répulsion due à la fluctuation des régions hydrophiles n'était qu'une hypothèse, cette étude a confirmé sa validité. Les réalisations cruciales de cette étude ont été les résultats obtenus en utilisant l'instrument FM-AFM de pointe du professeur Fukuma (Figure 2), qui ont conduit à cette recherche conjointe qui a abouti à des résultats magnifiques."

Le principe de formation de domaine dû aux interactions avec les chaînes polymères hydrophiles identifiées à la suite de cette recherche s'est avéré partager des points communs avec les glycolipides dans la membrane cellulaire. Notre équipe de recherche est d'avis que ce principe aidera à comprendre le mécanisme de reconnaissance cellulaire et les transferts de signaux liés à l'état agrégé des glycolipides et des protéines membranaires. Par ailleurs, les résultats des expériences, dans lequel des objets encombrants peuvent apparaître enfoncés selon les conditions, sont vitales pour de nombreux chercheurs analysant des molécules biologiques sous l'eau par microscopie à force atomique. En outre, Les PEG ont pour effet de supprimer les adsorptions non spécifiques telles que les protéines, etc., et peut également être utilisé dans les interfaces biologiques et l'administration de médicaments. La formation et la réponse de force d'agrégats et de domaines riches en PEG devraient également avoir un effet omniprésent dans ces domaines.