水溶性高分子与模型生物膜的相互作用及其构象与形状变化

Both water-soluble macromolecules and biomembranes are important components of the cell and play crucial roles in many biological processes, which make them remain as hot topics in soft condensed matter physics. It is of great importance to understand the functions of the cell by studying the interactions between water-soluble polymers and biomembranes at conditions close to the cellular environments and elucidating the interrelations between microscopic molecular interactions and the mesocopic behaviors of the cell. Here, we will prepare and manipulate giant unilamellar vesicles (GUVs) with trans-bilayer asymmetries of both lipid compositions and chemical environments. The shape transformation of GUVs induced by polymers and external stimuli (temperature, electrical, flow, and chemical stimuli, etc) will be systematically studied. The conformation and dynamics of polymers adsorbed to the membranes will be studied by macroscopic and microscopic experimental techniques. Combining the experimental results with the theories of polymer physics and membrane biophysics, the research will not only shed light on the effects of polymer-membrane interactions on the conformation of polymers and the shape transformation of membranes, but also will help in developing ways to manipulate them, which will find potential applications in drug and gene delivery systems.

水溶性大分子和生物膜都是细胞的重要组成部分，在各种生命活动中扮演着重要角色，一直是软物质领域关注的热点。研究接近细胞环境下各种水溶性高分子与生物膜的相互作用，阐明分子间微观相互作用与细胞的介观行为之间的相互关系，对于深入理解细胞的各项功能具有重要的科学意义。本项目拟构筑和操纵兼具脂质组成不对称和膜两侧化学环境不对称的巨型单层囊泡，系统研究多种水溶性高分子和外界刺激（温度、电场、流动场、化学场等）导致的囊泡的形状变化；同时利用多种宏观和微观的实验手段，研究高分子在生物膜表面吸附的构象和动力学。将实验结果与高分子物理和生物膜物理的理论相结合，旨在阐明高分子与生物膜的相互作用对高分子构象和生物膜形状变化影响的规律，达到有效调控的目的，为未来应用于药物/基因传输体系提供理论依据。

细胞内部大量存在的多种生物大分子导致的细胞质相分离以及大分子拥挤效应，是细胞器形成和发挥功能的重要因素。生物膜在细胞的物质运送过程中扮演着重要角色，各种细胞器间的膜组成大不相同。通常认为在物质运送过程中形成的运送中间体如纳米管道膜和小囊泡，其高曲率会导致膜组分的分类，是细胞器间的膜组成保持动态平衡的关键因素。本课题构筑了装载有两种可相分离的水溶性高分子的巨型单层囊泡，并结合描述生物膜弹性的Helfrich自发曲率模型，研究了多种水溶性高分子与模型生物膜的相互作用及其构象与形状变化。（1）制备了装载有聚乙二醇和葡聚糖溶液的巨型单层囊泡，调控外界渗透压，使囊泡内的高分子溶液浓度升高而发生相分离，发现囊泡的形态与高分子—膜的相互作用紧密关联，并观察到囊泡内会自发形成很多稳定的纳米管道，后者是由膜产生的负的自发曲率所稳定。在两相高分子溶液都部分浸润膜时，从囊泡的形状测得高分子溶液与膜的接触角，利用已知的两相高分子溶液间的界面张力计算得到膜的张力，结合Helfrich自发曲率模型推测出膜的自发曲率，与从激光共聚焦显微镜直接观测的纳米管道膜的尺寸得到的自发曲率一致。（2）研究了由三种主要的生物膜组分：不饱和的二油酰磷脂酰胆碱（DOPC）、饱和的二棕榈酰磷脂酰胆碱（DPPC）和胆固醇（Chol）构成的多组分囊泡，在具有较高曲率的纳米管道（半径约为150纳米）中，膜的组成是否会发生改变。结果发现在膜的组成位于液相有序—液相无序共存区时，高曲率的纳米管道膜由液相无序的膜形成，而且包含更多DOPC组分；而在膜的组成位于一相区时，纳米管道状膜与囊泡的组成并没有差异。这一结果表明由曲率导致的膜组分的分类与膜的曲率和组成密切相关。（3）研究了膜组分对高分子溶液浸润性的影响。发现在膜表面锚泊少量聚乙二醇后，囊泡内的聚乙二醇富集相在膜上的浸润角会显著减小。这是因为锚泊聚乙二醇的膜，与囊泡内的聚乙二醇富集相有更好的相容性。（4）研究了膜的自发曲率产生的机理，利用多种实验手段研究聚乙二醇和葡聚糖溶液与支撑脂质双层膜（SLB）的相互作用。带耗散的石英晶体微天平实验（QCM-D）发现这两种高分子溶液在SLB表面没有吸附，高分子溶液与SLB表现出排空相互作用。这些结果对于理解细胞的物质运送过程具有重要的科学意义，也为药物/基因传输体系的设计提供了理论依据。