In homogeneous solution, the mean-square-displacements (MSD) of molecular translational motion increases linearly with an increase in time. On the other hand, in heterogeneous media, the molecular MSD exhibits hierarchical dependence on time, which is so-called anomalous diffusion. Extracellular matrices, cytoplasm, and cytoplasmic membrane are well known as heterogeneous media; understanding of molecular diffusion in such heterogeneous space is indispensable for elucidating intercellular signaling and intra-/intercellular material transport, and also drug delivery. Recent progress in detection and imaging technique at single molecule level have permitted measurement of the anomalous diffusion in the extracellular matrices and the cytoplasmic membranes. In this presentation, we will introduce single particle tracking (SPT) method by which we can directly detect the motion of transferrin receptor in the plasma membrane of living PtK2 cells. Integration of the experimental results with those of Monte Carlo simulations led to the conclusion that the hop diffusion of the receptor between ∼47 nm compartments with an average residency time of 1.7 ms.

均一溶液中では、分子運動の平均自乗変位は時間に対して線形に増加する。一方不均一な媒質中においては、分子運動の平均自乗変位は時間に対して階層的に変化し、異常拡散と呼ばれる振る舞いを示す。細胞外マトリクスであるヒアルロン酸、細胞質、細胞膜などは不均一媒質の典型例であり、これらの媒質中における分子拡散は、細胞間シグナル伝達、細胞内/細胞間物質輸送ダイナミクス等を解明する上で重要なプロセスである。またドラッグデリバリー等の医療応用においても、これらの物質移動プロセスの理解は重要な課題となっている。近年、レーザー顕微鏡及びその周辺技術の進歩により、単一分子、単一ナノ粒子レベルの分光分析、イメージングを可能となっており、これらを用いて細胞外マトリクス中や、細胞膜上での不均一拡散ダイナミクス追跡が行われている。今回は、単一粒子追跡法（SPT）を用いて、トランスフェリン受容体のPtK2細胞膜上における運動を直接観測した結果とモンテカルロシミュレーションによる結果とを対比させながら紹介する。これらの結果から、トランスフェリン受容体は細胞膜上で47 nmサイズのコンパートメント間を平均滞在時間1.7 msでホップ拡散することが明らかとなった。

Kusumi et al., Biophys. J. 88, 2266-2277 (2005)