Lípidos e proteínas de membrana existentes nas membranas celulares, que estão localizados na camada mais externa das células, são responsáveis ​​por reconhecer ambientes extracelulares e transferir essa informação dentro da célula. Devido à sua relação profunda com a infecção bacteriana e viral e a resposta imunológica e transmissão neural, são tópicos de pesquisa importantes nos campos da biologia, medicina e desenvolvimento de drogas. No processo de reação de reconhecimento externo e transferência de sinal, a formação de agregados bidimensionais de lipídios com grupos hidrofílicos volumosos, como cadeias de açúcar ou anéis de inositol, nas membranas celulares são considerados necessários. Pequenos agregados de até 10 moléculas são chamados de clusters, enquanto agregados com mais moléculas e maior crescimento são chamados de domínios.

Os lipídios são moléculas anfifílicas derivadas de organismos, e têm propriedades hidrofílicas e hidrofóbicas dentro de suas moléculas. Muitos estudos anteriores mostraram que as interações na região hidrofóbica, como a transição de fase e miscibilidade de cadeias de hidrocarbonetos, desempenham um papel importante na formação de domínios em membranas de bicamada lipídica. Por outro lado, interações nas regiões hidrofílicas de lipídios não foram amplamente pesquisadas, com muitos fatores ainda obscuros. As interações tornam-se complicadas por causa da repulsão que ocorre através da flutuação das propriedades hidrofílicas na água, particularmente em regiões hidrofílicas volumosas como cadeias de açúcar. A repulsão causada por tal flutuação também afeta as medições via microscopia de força atômica (AFM), que pode detectar até mesmo a menor quantidade de força.

Uma equipe de pesquisa liderada por Ryugo Tero, Professor Associado na Toyohashi University of Technology, usou microscopia de fluorescência e AFM para examinar em detalhes membranas de bicamada lipídica artificial contendo lipídios modificados pelo polímero hidrofílico, polietilenoglicol (PEG) (Figura 1). Os resultados revelaram que dois tipos de agregados, clusters e domínios, forma dependendo da concentração de lipídios modificados por PEG, e que quase não há fluidez nos domínios que aparecem devido à alta concentração. Esses agregados não são formados por meio da interação da região hidrofóbica dos lipídios, mas através da interação de sua região hidrofílica. Interessantemente, quando observado com AFM, os domínios lipídicos modificados por PEG que deveriam ser volumosos, foram observados em um nível mais baixo do que os arredores (Figura 1B). O Professor Associado Tero implementou uma experiência conjunta com o Professor Takeshi Fukuma na Universidade de Kanazawa sobre as razões para isso. Ao utilizar a modulação de frequência AFM (FM-AFM), e controlar com precisão a força entre a amostra e a sonda, eles foram capazes de observar o domínio lipídico modificado por PEG em um nível mais alto do que a área da membrana lipídica, sem a aplicação de qualquer quantidade de força (Figura 1C). Uma vez que as repulsões mudarão devido à flutuação das cadeias de polímero hidrofílico dependente da força aplicada, constatou-se que, em geral, uma imagem reversa da verdadeira estrutura tridimensional inevitavelmente aparece nas condições para observação de modulação de amplitude AFM (AM-AFM).

"A fim de estabelecer um método experimental para examinar o estado e função agregada dos glicolipídeos, utilizamos lipídios modificados por PEG que são fáceis de obter no início. Nós nos esforçamos para encontrar as condições mais adequadas para a preparação da amostra e observação de AFM da membrana de bicamada lipídica contendo lipídeos modificados por PEG. Os resultados diferiram muito em comparação com as expectativas, especialmente devido ao fato de que as áreas recuadas cresceram com o aumento da concentração de lipídios modificados por PEG. Pensando que pode ter havido um erro, repetimos o experimento e confirmamos sua reprodutibilidade. Intuitivamente, pode parecer improvável que a região com moléculas volumosas pareça menor com AFM, mas quando o estado montado do polímero e os princípios básicos de AFM são considerados, isso é realmente muito razoável. Quando as propriedades côncavo-convexas da superfície são revertidas após a mudança para FM-AFM, a experiência conjunta com a Universidade de Kanazawa atingiu seu auge e gritamos 'Eureka!' "Assim explica o autor principal, Yasuhiro Kakimoto, atualmente em curso de doutorado (Inscrito no Programa de Pós-Graduação em Pós-Graduação do Ministério da Educação, Cultura, Esportes, Ciência e Tecnologia).

O líder da equipe de pesquisa, O professor associado Ryugo Tero disse "A fim de compreender as funções das biomoléculas a nível molecular, é vital compreender o aparecimento de moléculas moles, como lipídios e proteínas, flutuando na água. Na verdade, alguma evidência de experimentos contendo muitos glicolipídeos sendo observados em um nível inferior com AM-AFM foi obtida por aproximadamente 10 anos em vários sistemas. Embora a repulsão devido à flutuação das regiões hidrofílicas fosse apenas uma hipótese, este estudo confirmou sua validade. As realizações cruciais neste estudo foram os resultados obtidos com a utilização do instrumento FM-AFM de última geração do Professor Fukuma (Figura 2), o que levou a esta pesquisa conjunta alcançando resultados magníficos. "

O princípio de formação de domínio devido a interações com cadeias de polímero hidrofílicas identificadas como resultado desta pesquisa foi encontrado para compartilhar semelhanças com glicolipídeos na membrana celular. Nossa equipe de pesquisa é de opinião que este princípio ajudará na compreensão do mecanismo de reconhecimento celular e transferência de sinais relacionados com o estado agregado de glicolipídeos e proteínas de membrana. Além disso, as descobertas dos experimentos, em que objetos volumosos podem aparecer afundados dependendo das condições, são vitais para muitos pesquisadores que analisam moléculas biológicas subaquáticas por meio de microscopia de força atômica. Além disso, PEGs têm o efeito de suprimir adsorções inespecíficas, como proteínas, etc, e também pode ser utilizado em biointerfaces e distribuição de drogas. Espera-se que a formação e a resposta de força de aglomerados e domínios ricos em PEG tenham um efeito generalizado também nesses campos.