1 はじめに
リン脂質二重膜（BLM）は、生体細胞膜の脂質二重膜構成要素の基本特性を調べ、特にその弾性特性を検討する上で有用なモデル系となる。 BLMは両親媒性分子の自己組織化構造であり、スメクチック液晶に酷似した物理的特徴を有している。 脂質二重層は、タンパク質、脂質、ペプチド、ステロイド、界面活性剤などの疎水性分子や両親媒性分子を取り込むことができる。 脂質膜の弾性的性質は、脂質-脂質、脂質-タンパク質、タンパク質-タンパク質相互作用などの局所的な現象から、細胞全体の形状揺らぎまで、様々な研究に利用されている。 さらに、二層膜の液体炭化水素としての性質は、ナノスケールのリン脂質間の分子間相互作用によって維持されている。極性ヘッドグループ間の静電相互作用や双極子-双極子相互作用、水分子を介した相互作用、炭化水素鎖間のファンデルワールス分散相互作用などである
BLMの表面は完全な平面でも剛直でもない
BLMの表面は、ナノスケールのリン脂質の相互作用によって維持されている 。 BLM系は準2次元的な柔軟構造であり、様々なコンフォメーションや動的な遷移を連続的に行っている。 さらに、人工・天然のBLMは絶縁体ではなく、多様な膜貫通孔によって水や電解質を透過させる。
ランダムで偏った熱揺らぎ（サーモポレーション）、電気的トリガー（エレクトロポレーション）のいずれかのメカニズムによって、ストキャスティックな膜貫通孔が生成する。 すなわち、横方向の拡散係数が10-7 m2s-1 (Dl)のオーダーで、二層表面に平行な横移動、二層表面に垂直な脂質軸の周りの振動と回転である。 そのため、二層表面のスナップショットには、極性ヘッドグループの密度が高いナノサイズの局所領域（すなわちクラスター）と密度が低い領域が見られる。 BLMの特定の物理的条件（pH、温度、脂質成分、電気化学的電位など）においては、後者のゾーンは膜の小さな局所的欠陥（すなわち空孔）を意味する。 これらの領域では、水分子は二重膜の疎水性マトリックスを透過することができる。 それぞれの単層から独立した2つの欠陥が、膜表面で垂直方向に並んでいる場合を考えてみよう。 これらの欠陥は、内面が脂質の疎水性鎖で挟まれた円筒形の疎水性孔を形成することができる。 したがって、このようなタイプの過渡的な孔は疎水的な性質を持っている。 また、疎水性細孔の近傍に位置する極性ヘッドグループが、その内部に向かって回転することも考えられる。 この場合、孔の内部の疎水性表面は極性基で覆われることになる。 したがって、これらの細孔は親水性を持ち、円筒形の形状を持たず、疎水性細孔よりも安定である。 すなわち、BLMの2つの単層膜における極性ヘッドグループ密度のランダムな熱揺らぎは、確率的な膜貫通孔を生成することができる。
BLM内部の疎水性厚み揺らぎの存在を理論と実験の両面から証明した。 これは、電気容量測定（hc）、光反射率測定（hr）、直接計算（hav）の3つの独立した手順で二重層の厚さ（h）の値を決定することによって達成された。 Tanford (1980)は、以下の式 hav = Nl M/ρ を用いて二重層の厚さを計算した。ここで、Nl、M、ρはそれぞれ単位面積あたりの脂質の数、疎水性鎖の分子量、疎水性ゾーンの密度を表している。 疎水性領域の「厚み揺らぎ」のため、hcはhavと等しくなるはずであるが、この場合、両者は極性層の厚み（htp）分だけhrより小さくなるはずである：hc ≅ hav = hr-htp. 脂質二重層の厚さが均一であれば、hcはhavと等しくなるはずである。 脂質の二元混合物からなる BLM の場合、リン脂質間の選択的な会合が起こり、リン脂質ドメインが出現する。 その厚さは、脂質成分の炭化水素鎖の長さに依存する。 Popescuら(1991)は、二重層の厚さの揺らぎによってBLMに確率的な孔が出現することを示した。 しかし、このようなメカニズムによる膜穿孔のエネルギー障壁の高さは大きい（約91 kT、ここでkとTはそれぞれボルツマン定数と絶対温度である）。 この場合、孔の幾何学的形状は楕円形のトロイダル型になる。 また、このような透過型孔が安定な状態に進化する可能性も示された。 膜の統計的な孔の閉塞には速い時間スケールがあるため、このモデルで得られた結果はかなり意外なものだった。 2年後、ZhelevとNeedham (1993)は、脂質二重層小胞に準安定な大きな孔を作り、前のモデルによる予測と一致させた。 また、Moroz and Nelson (1997)は二層膜小胞の大きな孔の線張力による膜の破断抵抗を計算した。
Stochastic transembrane pores can also be formed by biased thermal motion of lipids . この機構はサーモポレーションと呼ばれることもある。 この孔は熱的に誘導された活性化過程を経て膜に出現する。 あるいは、孔の形成のための活性化過程は、外部電界を介して誘導することができる（エレクトロポレーションとも呼ばれる）。 エレクトロポレーションによって生成された孔は、より大きく、より安定である。
膜貫通型タンパク質孔は、小さなペプチドチャネル（グラミシジン、アラメチシン、メリチンなど）から大きなタンパク質多量体集合チャネルまで幅広いタンパク質系で形成されている。 これらの孔は大きく、水で満たされているため、イオンを含む親水性物質が孔を越えて拡散し、膜電位を散逸させることができる。 膜貫通タンパク質孔は、2つの主要な構造クラスからなる一体型タンパク質で構成されている。 (1)膜貫通型a-helical構造が形成する選択的チャネル、(2)単量体（OmpGなど）、二量体（選択的Cl-チャネルなど）、三量体（OmpFなど）または多量体の膜貫通型β-バレル構造（α-ヘモリシン、ロイコシジン、サイトリシンなど）によって形成する選択チャネル、孔、ポリン、などである。 脂質二重層は、これらのタンパク質チャネルを機能的な膜に再構成する際に、in vitroのシステムとして使用することができる 。 さらに、BLMは膜タンパク質工学のツールとして、1分子生物物理学やバイオテクノロジー分野への応用が期待できる。
別の例では、大腸菌が分泌するタンパク質であるコリシンIaは、標的細菌の内膜と平面BLMの両方で電位依存性イオンチャネルを形成した。 コリシンIaは、同じ戦略をとる細菌毒素のクラスに属する膜輸送体である。すなわち、栄養競合する他の細菌の膜に挿入され、それによって大きな寸法の孔を生成する。 この孔は電気化学的な膜電位を損傷し、最終的に競合する細菌を死滅させる。 上記の確率的な孔と比較すると、タンパク質性の孔は、その形成メカニズムが異なり、また、性質も異なる。 確率的孔がその生成機構を「忘れる」のに対し、膜貫通型タンパク質孔のいくつか（例えばコリシンIa）は、少なくともBLM電気刺激に用いられる特定のパルス列の影響下で、「記憶」効果を示すようだ。
遺伝子孔が哺乳類の肝臓からの洞房血管の壁で発見された。 これらの血管の内皮細胞は多数の篩板孔を有している。 この孔は直径0.1μm程度で、血漿やカイロミクロンが洞様腔からディッセの腔に通過することを可能にしている。 このように内皮孔は洞様血液とDisse空間との間の液体、溶質、粒子の交換を制御している。
本研究では、連続媒体の弾性理論を用い、平面BLMにおける確率的孔の出現を説明した。