脂质-纳米结构杂合体系的组装机制、结构性能表征及应用

Biomembranes, especially the lipid bilayer scaffold within the membrane, provide a basic platform for many biological processes, and simultaneously are important for utilizing fascinating new structures and properties of nanomaterials. However, due to the dynamic and complex nature of the membranes, substantial experimental uncertainty occurs in controlling the membrane reactions and extracting valuable information. To conquer this, the design and synthesis of lipid-nanostructure hybrids, which consist of lipids assembled on the support of various nanostructures, have drawn increasing interest as membrane-mimicking platform for use. However, the synthetic methods and the consequences of forming such hybrids have not yet been fully understood. In this thesis, a variety of nanostructures with different size, shape and surfacial physicochemical properties are fabricated for the study of static structure as well as dynamic process of the assembly and reorganization of lipids on them. Synchrotron radiation x-ray scattering and super-resolution fluorescence microscopy, combined with computer simulations, are used to make a breakthrough in dynamic tracking, multi-scale analysis and spacial resolutions, in studying the assembly behavior and physical mechanism of biomembranes under nanoscale stimulations. Based on these, the biological processes such as membrane-biomaterial interactions would be studied and understood on a molecular level. This work would provide significant help in understanding the biomembrane-related biological processes and designing novel materials for biological applications in future.

生物膜，尤其是膜中的脂质双分子层，它既为细胞完成各项生物学功能提供重要平台，也是设计制备新型纳米材料的重要原料；然而，由于生物膜的动力学及复杂特性，在控制膜反应及提取信息时存在严重的实验不确定性。在修饰了纳米结构的固体基底表面组装双分子层脂膜来仿生生物膜用于各项研究，是解决这一难题的有效途径。然而迄今为止，脂质-纳米结构杂合体系的组装结构及纳米尺度性质行为尚未被完善了解。本项目将通过构建不同尺寸、形状及表面物理化学性质的纳米结构，来研究脂分子在纳米结构表面自组装及响应重组的静态结构和动力学过程；利用同步辐射X射线散射与超分辨荧光成像技术互为补充，结合计算机模拟，从动力学追踪、空间尺度及分辨率等方面有所突破，目的是从分子层次上了解生物膜在纳米响应下的组装行为及物理机制，进而解释生物膜-外界物质的界面相互作用等生物学过程。本工作将对认识和指导生物膜相关生物学过程及生物材料应用有重要帮助。

细胞膜是细胞的第一道屏障，也是许多重要的生物学过程，例如物质内吞和药物跨膜输运、信号传导、抗菌肽破膜杀菌等发生的平台；脂分子构成了细胞膜的基本双分子层骨架，也是制备新型生物适应性纳米材料的重要原料。因此，从分子层次上深入了解脂分子/脂双层膜与纳米尺寸物质之间的界面相互作用过程及结构具有重要的生物学意义及生物医药价值，而脂分子的自组装和环境刺激下响应重组行为是这些界面作用的关键。在本项目中，我们结合了光学显微成像、X射线散射、计算机分子动力学模拟等多种手段，从三个层次上系统探讨了脂分子在纳米界面处自组装的静态结构和动力学过程，包括：1）我们系统地研究了脂质分子在不同碳纳米材料（包括零维的碳量子点、一维的碳纳米管、二维的石墨烯纳米片、以及微米尺寸的碳基颗粒等）表面的自组装、以及基底变化引导下的响应重组行为，实现了以基底调控脂膜的形变，并构建了相应的纳米传输通道、实现了离子传输速率20倍以上的提高。2）我们构建了脂双层-纳米界面，利用脂分子自组装行为实现了对纳米粒子长程有序的排布和发光性质的调制，发现了脂膜相行为对表面颗粒分布的影响，从而实现了脂质自组装双层膜对界面处纳米粒子的旋转、聚集、分区等行为的调控性。3）我们进而研究了脂膜行为对纳米物质跨膜输运的调制与影响，利用冲击波刺激、伴侣粒子协助等手段，有效提高了不同表面性质大分子药物的跨膜输运效率；并在深入了解蜂毒肽等多肽分子跨膜成孔分子机制的基础上，借助石墨烯纳米结构成功实现了对其膜作用活性和抗菌效率的20倍的提高。这一系列工作对于我们从分子层次上深入了解脂分子/脂膜在生物-纳米界面处的动力学行为过程，了解细胞内吞、多肽抗菌的生物学机制，并在此基础上开发高效率、低毒性的新型抗菌药物和纳米药物载体，具有重要的意义。