细胞内相分离诱导膜形态转变的机理研究

细胞是一个具有不同层次高度组织结构的系统，是生命活动的基本单位。实验发现细胞膜和胞质溶液都存在明显不均一性，深入研究胞质和细胞中各种有机体对理解细胞组织结构有十分重要的生命意义。生物物理学家为了研究这些组织结构以及相互作用机理，一直在寻找合适的仿生模型。最近构建的囊泡内两组分水溶液的模型化体系是较为理想的实验模型，该模型将生物膜和胞质溶液的基本问题转化为生物膜形状和生物大分子相分离的问题。为了理论诠释实验结果，我们将关于囊泡形态的标准理论Helfrich的膜弹性理论和关于高分子相形态的标准理论自洽场理论关联起来，建立关于囊泡/高分子体系的统一理论。针对这类仿生实验体系，根据已建立的相应理论模型，探索受限于囊泡内部组分水溶液的相形态问题；研究囊泡的形态转变问题，并提供相应的相图以丰富我们对该体系问题的认识；进一步研究囊泡和高分子相形态之间的协同作用。

细胞是一切生命活动的基本单位。活体细胞内存在不同层次的细胞器和生物大分子。其中，蛋白质、核酸、多糖等生物大分子的重量百分数高达整个细胞的20-30%以上。在细胞的这种体积和浓度限制环境内，它们会发生局部相分离形成不同尺度的微区，而不同的微区在生命活动中会执行相应的生物功能。长期以来被誉为细胞的最完美的仿生模型——脂质体囊泡，已经广泛应用于研究磷脂膜的各种性质。为了描述细胞内介质的拥挤程度，生物物理学家构建了细胞内囊括两组分水溶液的软物质体系。通过改变囊泡外环境的渗透压和温度，两组分水溶液会发生相分离。在相分离过程中，实验观察到一些非常有意思的现象，如浸润转变、囊泡出芽和分裂、膜管的形成等。因此，本项目基于囊泡内囊括两组分水溶液的软物质体系，从耦合自洽场和曲面弹性理论的计算模型的建立、考虑两组分高分子水溶液相分离、囊泡内膜和高分子相互作用和膜的半渗透性质，以及两组分相分离形态和囊泡形状之间的关系，到两组分和膜形成的三相界面接触角的理论研究。本项目针对具有不同约化体积的囊泡、不同组成比例的两组分高分子共混体系、不同囊泡内膜和高分子相互作用参数的软物质体系，囊泡形态相图、接触角等方面展开了较深入的研究。该研究具有基础性和前瞻性，对生命科学和软物质物理学具有极其重要的理论指导意义。