细菌FtsZ蛋白的组装行为及其在细胞分裂中的作用机制

The process of cell cytokinesis is the basis for individual growth, development and reproduction process, but the aggregation structure and non-equilibrium dynamical behaviors of cytoskeleton is the basis to keep cell cytokinesis operate normally. Bacterial FtsZ protein is the structural unit of one cytoskeleton, and to explore the assemble behaviors of FtsZ proteins is very important for biological implications to in-depth understand the process of cell cytokinesis. For the study of the assemble behaviors of FtsZ proteins, it is necessary to study the basic problems which occur during the assembly of FtsZ protofilament, dynamic FtsZ ring and the network of FtsZ fibers. While, in order to solve the underlying mechanisms of cell cytokinesis, it is necessary to deeply understand other basic issues which relate to the force generation of dynamic FtsZ ring, and temporal and spatial dynamics of associated physiological proteins during the process of cell cytokinesis. The project proposed here will theoretically and systematically investigate the physical problems occurred from the assemble behaviors of FtsZ proteins to cell cytokinesis by a combination of the basic theory of polymer physics and multi-scale particle-based simulation methods. These theoretical study not only reveals the underlying mechanisms of cell cytokinesis, but also provides the basis for the development of antibiotics.

细胞的分裂过程是个体生长、发育和繁殖过程的基础，而细胞骨架的聚集态结构和非平衡动力学行为是细胞分裂维持正常运行的基础。细菌FtsZ蛋白是一种细胞骨架的结构单元，探索FtsZ蛋白的组装行为对深入理解细胞分裂过程具有十分重要的生命意义。为研究FtsZ蛋白的组装行为，有必要研究单根FtsZ原丝、动态FtsZ环和FtsZ纤维网络组装过程中出现的基本问题。而为了解决细胞分裂过程的基础机制，非常有必要深入理解动态FtsZ环在细胞分裂过程中产生作用力大小、相关生理蛋白的时空生成图谱等基本问题。本项目将运用高分子物理基础理论和多尺度粒子基模拟的方法，从FtsZ蛋白的组装行为到细胞分裂过程中出现的物理问题，展开深入而系统的理论研究。这些理论研究不仅揭示细胞分裂的基础机制，还能够为研发广谱的抗菌药物提供依据。

细胞的分裂过程是个体生长、发育和繁殖过程的基础，而细胞骨架的聚集态结构和非平衡动力学行为是细胞分裂维持正常运行的基础。细菌FtsZ蛋白是一种细胞骨架的结构单元，探索FtsZ蛋白的组装行为对深入理解细胞分裂过程具有十分重要的生命意义。本项目从原核细胞的FtsZ蛋白生成单根纤维的动力学过程、FtsZ蛋白动态环的生成动力学和动态聚集态结构到细胞功能的实现过程都作出了深入的研究。.首先，研究了不同水解机理情况下的聚合动力学，并根据仿生实验结果确立了具体的水解参数，并得到了FtsZ微丝的稳态图谱结构。耦合聚合、解聚、水解三个过程，建立了相应的随机模型，并进行了简单的理论分析，发现理论分析的结果和实验、模拟的结果完全吻合。.其次，从细胞中央动态FtsZ环的稳态构象、细菌收缩作用力的产生机理、细胞分裂时间到它们在细胞分裂过程中的作用机制都作出了系统的研究。为了更深入比较各个参数对细胞分裂时间的影响，采用了相对参数的办法，拟合得到的K值。K的绝对值越大意味着只需改变很小参数值就可以改变相同的细胞分裂时间。因此我们建议实验中通过控制FtsZ微丝的长度、细胞长径比和FtsZ蛋白的浓度更能有效控制细胞分裂时间。该研究结果为细菌抗菌药物的研发提供理论依据，为实现疾病的有效诊断治疗研究提供一个新的方向。.最后，针对细胞内囊括两种聚合物形成的两相界面的目标体系，具体研究了两种聚合物在不同自发曲率形成的细胞膜体系中两相界面的变化，发现细胞内两相界面发生浸润性转变点的位置依赖于细胞的形态，也和高分子的具体物性参数有关，尤其是深入探讨了浸润性转变点的能量变化，阐述了细胞形态发生一级转变和二级转变的条件。这些理论研究有助于发现细胞形态演化动力学的普适规律，更有助于深入理解生命软物质体系中的新物理现象。