不对称脂膜结构中分子运动规律及膜的稳定性研究

The abnormalities of asymmetric cell membranes are closely related to many diseases such as cell aging, apoptosis, cancers and immune system defects. It is very important chemical biological significance to study the molecular motion law and stability of asymmetric lipid membranes for reasons of these diseases. Around the problems of molecular dynamic characteristics and stability in asymmetric membranes, we plan to prepare the samples using LB/LS and LB/VF method and study the influence of environment (temperature, ion) and film materials (phospholipids, glycolipid, cholesterol, protein、PEG or PVP tethered lipids) on molecular motion law and stability using FRET, single molecular force spectrum and fluorescence images. Detect the dynamic process of flip-flop and rearrangement in membranes, explore the law of lipid transmembrane movement and the chemical and physical principle of molecular interaction, and notify the key factors for forming stable membranes. This project can provide new ideas and new experimental methods for studying the physical chemical state of real biomembranes and understanding the relationship between structure and function of cell membranes. It can also provide the theory basis and experimental support for revealing the inner mechanism and treatments of the diseases which induce by the change of biomembranes.

细胞膜不对称性的异常与细胞老化、凋亡、癌变及免疫系统缺陷等疾病密切相关，探索不对称脂膜结构中分子运动规律及膜的稳定性对弄清这些疾病的成因具有重要的化学生物学意义。本项目围绕不对称性脂膜内分子动态特征及膜的稳定性问题，拟采用LB/LS、LB/VF方法制备不对称双层膜，利用荧光共振能量转移、单分子力谱、荧光成像等方法研究环境因素(温度、离子)、成膜材料(磷脂、糖脂、胆固醇、蛋白质、PEG与PVP修饰的脂)对双层膜分子运动规律和膜稳定性的影响，检测膜内分子翻转、重排的动态过程，探究分子跨膜运动规律及脂膜结构中分子间相互作用的化学、物理机理，弄清形成稳定不对称双层膜的关键因素。本项目的开展为研究真实细胞膜的物理化学状态、理解细胞膜结构和功能的关系提供新的思路和实验方法，为阐明细胞膜不对称变化诱发疾病的内在机理、探索相应疾病的治疗方法提供理论依据和实验支持。

本项目主要研究了脂膜结构的构建，选择生物膜中含量较丰富的脂[磷脂酰胆碱(PC)、鞘磷脂(SM)、磷脂酰乙醇胺(PE)、磷脂酰丝氨酸(PS)、心磷脂（CL）等]，制备了脂膜结构，通过分析热力学参数，如：平均分子面积、过量分子面积、压缩模量、吉布斯自由能、相关系数等分析和揭示了脂膜结构中分子的运动规律和相互作用机理，探讨温度、离子、压力、衬底因素对脂膜结构的影响，分析脂成分的种类、分子官能团(碳链长度、饱和度、头部基团)变化等形成的多相态共存的不对称双层膜的动态特征规律，探讨脂膜的稳定性因素。. 胆固醇、糖脂、蛋白质、药物分子、纳米颗粒等生物分子对脂膜结构的动态特征影响。研究胆固醇加入到脂中形成的液态有序相和液态无序相共存结构的不对称双层膜的动态特征和不同糖链长度的糖脂对不对称双层膜内分子运动规律及膜的物理化学状态变化的影响，进一步评估不对称双层膜的稳定性。 蛋白质对不对称双层膜结构的动态特征影响。选择具有代表性的锚定蛋白和跨膜蛋白各一种，分析蛋白质在维持不对称双层膜稳定性过程中的作用。纳米颗粒靶向药物是该方向的研究拓展领域之一，本项目也对磁性纳米颗粒与脂膜结构相互作用进行了探讨，分析了亲疏水纳米颗粒对脂膜结构的影响。. 通过脂膜内分子运动特征和稳定性的研究，系统地探索环境因素、成膜组分对膜的结构形成的影响，分析双层膜结构动态变化的内部机理，为理解细胞膜分子跨膜运动规律以及生物学过程奠定基础，为阐明细胞膜变化诱发疾病的内在机理和探索相应疾病的治疗方法提供理论依据和实验支持。通过改变脂成分和衬底性质尝试建立一种稳定的不对称双层膜的构筑方法，运用LB技术、原子力显微镜技术、荧光成像等手段动态检测分子运动过程和膜的结构特征，分析生物分子间的相互作用方式及结合位点，为进一步探讨真实细胞膜的分子动态过程和形态结构变化奠定基础。