私たちの体を構成する数十兆個の細胞。その一つ一つを優しく包み込み、生命の門番として機能するのが「細胞膜」です。しかしこの膜、実は科学者たちを長年悩ませてきた「気まぐれな無法者」だったのです。物理法則を無視するかのようなその振る舞いの謎が、この度ついに解き明かされました。鍵となったのは、視点を変え、もっともっとミクロな世界を覗き込むことでした。
細胞膜は、生きた細胞を包み込み、保護し、門番の役割を果たしています。膜は、細胞がどのように振る舞うかにさえ影響を与えることができます。しかし、膜自身の気まぐれな振る舞いは、長年科学者たちを悩ませてきました。結局のところ、それはすべて視点の問題だったようです。バージニア工科大学の物理学者、ラナ・アシュカー博士（Rana Ashkar, PhD）のチームがナノスケールで膜の振る舞いを観察したところ、膜がずっと従ってきた統一された生物物理学的な法則を特定することができたのです。2025年7月31日に学術誌Nature Communicationsで発表されたこれらの発見は、疾患への介入方法、ドラッグデリバリー応用、人工細胞技術、そして膜生物物理学の次の段階にとって重要な意味を持ちます。このオープンアクセスの論文は、「Cholesterol Modulates Membrane Elasticity Via Unified Biophysical Laws（コレステロールは統一された生物物理学的法則を介して膜の弾性を調節する）」と題されています。
組成を変化させるスーパーヒーロー
主に脂質と呼ばれる脂肪性化合物で構成される膜は、非常に高い適応性を持ちます。膜は環境要因に応じて脂質組成を変化させ、食事、圧力、温度の変化に、時にはわずか数時間で応答することができます。恒常性（ホメオスタシス）と呼ばれるこの特性は、私たちの細胞という都市を、さまざまな条件下で幸せに機能させ続けます。
恒常性がどのように機能するかを理解するため、科学者たちはそれを、膜の「構造」がその「物理的性質」に影響を与えるはずだ、という重要な物理原則の文脈の中で捉えようとしてきました。
理にかなっていますよね？何でできているかは、それがどう振る舞うかに影響を与えるはずです。
それにもかかわらず、長年にわたり、膜はこの法則に頑固に従いませんでした。
この法則の無視が顕著に現れたのは、科学者たちがモデル細胞膜にコレステロールを注入し、構造を変化させて、それが膜の柔軟性や弾性といった性質に影響を与えるかどうかを調べたときでした。結果はバラバラで、一部の膜は硬化しましたが、他の膜はそうではありませんでした。
重要なのは脂質の種類ではなく、その詰め込み方
「それはこの分野でジレンマを引き起こしました」とアシュカー博士は言います。「どういうわけか、コレステロールは一部の膜の構造は変えましたが、その弾性特性は変えなかったのです。」
広く受け入れられていた仮説は、脂質の種類によってコレステロールへの反応が異なるというものでした。しかし、アシュカー博士は納得していませんでした。彼女は何か他のことを試すことにしました。これまでの研究は、巨視的な測定を用いて膜の弾性を調べていました。アシュカー博士のチームは、もっと近くで、ずっと近くで観察したのです。
中性子とX線を用いて、チームのメンバーは、弾性に影響を与えるのは脂質の種類ではなく、それらが膜内でどれだけ密に詰め込まれているか（充填密度）であることを発見しました。
特定の種類の脂質は密集することに抵抗しますが、他の種類の脂質はイワシの缶詰のようにぎっしりと詰め込まれることができます。そして、この充填密度こそが、膜の柔軟性に影響を与える主要な要因であり、それがひいては細胞の生存能力を調節しているのです。
これらの発見をさらに確認するため、アシュカー博士と彼女のバージニア工科大学のチームは、アリゾナ大学のマイケル・ブラウン氏（Michael Brown）の研究室とストックホルム大学のミルカ・ドクトロヴァ氏（Milka Doktorova）の研究室と共同研究を行いました。彼らの核磁気共鳴実験と計算科学的研究も、アシュカー博士の研究室で得られたのと同じ法則に従っていました。
「膜は驚くほど複雑な組成を持つことがありますが、その弾性を決定または予測する上で本当に重要なのは、それらがどれだけ密に詰め込まれているかです」とアシュカー博士は述べました。「そしてそれは、細胞が従っているように見える、非常に、非常に強力な設計原理であり、私たちが今、生命に近い人工細胞を工学的に作り出す際に適用できるものなのです。」
写真：ラナ・アシュカー博士（Rana Ashkar, PhD）
