生物膜间的熵力及其性质研究

The interplay between biological membranes governs an astounding array of biological activities. The entropic forces between biological membranes play a vital role in the process of cell adhesion and membrane fusion. Based on a different hypothesis, Helfrich's model differs from Freund's model by nature. Nevertheless, both of the hypotheses are difficult to prove, raising the doubt about their validity, and the deductions derived from them are even more widely disputed. The key to ending the disputes is to reasonably define the nature and the key physical properties of biological membranes. Besides, for the small inter-membrane separations, the current experimental instruments cannot precisely examine the interactive forces between biological membranes. In the previous experiments, which aim to study the relation between the entropic forces and the distance between membranes, the results are within the error range. Therefore, by using the latest directly-measuring instruments like AFM (atomic force microscope), a breakthrough can be made in studying the changing law of entropic forces between membranes. In the project, we make mechanical experiments and computer simulations, and systematically study the characteristics and the changing law of entropic forces between biological membranes from the perspective of molecules and continuum. We build a correct model for the entropic forces between the biological membranes, which contributes to the understanding of the interplay between biological membranes.

生物膜间的相互作用过程是生命活动的重要组成，其中膜相互作用的熵力更是膜粘附，融合等过程的关键。一方面，在现有的膜间熵力模型中， 基于不同假设的Helfrich模型与Freund模型存在本质上的不同，而它们各自的假设又非常难以验证，其合理性尚难以证实，因此各自结论的正确性更是引发了当前广泛的争议。因此，如何合理的测定膜本身的性质，明确膜本身的关键物理参量成为结束这场争议的关键。另一方面，由于现有的实验设备很难直接精确测量小分离尺度下膜间相互作用力，在先前的实验中所考虑的膜间距范围内，膜间熵力大小与膜间距的关系对两种模型而言都在误差范围内。因此，用适应性改装后的原子力显微镜等新的直接测量手段可能成为弄清膜间熵力变化规律的突破点。本项目将以微观力学实验为基础并结合计算机模拟，分别从分子和连续介质角度出发，系统地分析生物膜间的熵力特征及其变化规律，建立膜间的熵力模型，提高对生物膜相互作用的认识。

由热扰动引起的生物膜间的波动熵力调控着大量的生物学功能，例如：细胞粘附、细胞融合、细胞膜结合与解离的转换以及细胞膜的自组装。因此，生物膜间的波动力及其规律构成了生命科学研究中重要的基础。. 本项目研究了膜间波动力与膜间平均距离之间的基本的关系；在此基础上，进一步研究了波动力对细胞-细胞黏附、细胞-基质黏附等的影响。. 本项目获得的主要结果包括：. 1）基于弹性力学和统计力学理论，精确地给出了膜间波动力与膜间平均距离之间的普遍表达式。并通过将理论解与已有实验数据进行对比，验证了结果的正确性。其次，通过分析所得到的波动力与膜间平均距离之间的普遍表达式，获得了波动力的作用力程。当膜间平均距离大于该作用力程时，波动力会迅速衰减为零。最后，根据上述研究结果，严格证明了当膜间平均距离足够小时，近期在学术界引起巨大争议的Helfrich和Freund两种关于波动力与膜间平均距离之间关系的理论在本质上的一致性。确切地说，上述两种理论分别构成了本项目结果的上限和下限。因此，本项结论有助于结束关于波动力与膜间平均距离之间关联关系的学术争论。. 2） 建立了考虑波动力影响的细胞-细胞、细胞-基质粘附模型。对于细胞-细胞粘附，研究结果表明，与均质膜系统中波动力发挥的负调控作用不同，在含有脂筏的多组分膜系统中，波动力促进了膜间受体-配体键合。其本质原因在于，在波动力的作用下，脂筏内的蛋白质聚集引起的细胞膜构象熵增加。从而揭示了波动力与脂筏在膜间配体、受体相互作用过程中的协同效应。对于细胞-基质粘附，研究发现，在相同条件下，相比于刚性膜系统，波动力的引入可以改变脂筏在膜锚定受体与基底固定配体相互作用过程中发挥作用。此外，基质蛋白分布以及脂筏特性同样会影响受体-配体键合。从而为脂筏对细胞粘附的影响机制提供了一种新的解释。