由bola型磷脂分子构成的古生菌细胞膜的结构特异性研究

Archaea is the third form of life except Bacteria and Eukarya. Because of its particular tissue and biological function, it could survive in the extremely severe environment such as high temperature and strong acidity. The cell membrane formed by bolaform lipids plays critical role. Therefore, it is very important to study structural property of archaea cell membrane. In this program, structural property of archaea cell membrane and related influence factors will be systematically investigated by performing dissipative particle dynamics and molecular dynamics simulation method. First, we will perform the coarse-grained and all-atom dynamics simulation to investigate the relationship between the structural property of membrane and configuration, kind and property of bolaform lipids. The difference will be found between archaea membrane and normal membrane. Second, comparing with proteins in normal membrane, the relationship effecting on each other between the proteins and archaea cell membrane is studied. And then, distribution and aggregation process of proteins in membrane are researched. At last, the property of archaea cell membrane will be changed by inserting normal lipids. The new structural property and phase transition are investigated, as well as the influence factors. This may provide theoretical guidelines for the application of archaea cell membrane in biological and medical fields.

古生菌是真细菌和真核生物之外的第三种生命形式，它能够在高温强酸等极端恶劣的环境中生存，这与其特有的组织结构和生物功能相关。其中由bola型磷脂分子构成的细胞膜发挥了至关重要的作用。因此，对古生菌细胞膜的结构性质和特点的研究具有非常重要的意义。本项目采用耗散粒子动力学和分子动力学方法，系统研究古生菌细胞膜的结构性质和相关的影响因素。首先，开展粗粒化和全原子模型的动力学模拟，研究细胞膜结构性质与bola型磷脂分子的结构、种类和性质的关系，并与普通细胞膜性质相比较，找出其异同点。其次，通过与普通细胞膜中蛋白质与细胞膜的相互作用关系相对比，研究古生菌细胞膜上蛋白质对膜结构性质的影响和相互作用机理，以及膜蛋白质在细胞膜中的分布规律和聚集过程。最后，在古生菌细胞膜中加入普通磷脂分子进行改性，研究改性后细胞膜的结构性质和相变，以及其中的影响因素，为古生菌细胞膜在生物医药领域的应用提供的理论支持。

由bola型磷脂分子构成的古生菌细胞膜与普通真核细胞膜不同，其独特的单层膜结构使它具有更优良的结构稳定性和热稳定性，同时也使得许多生物活动（如蛋白质聚集）机理发生转变。本项目采用耗散粒子动力学方法，系统研究了古生菌细胞膜的结构稳定性与bola型磷脂分子的结构、种类和性质的关系，研究采用两种类型的bola型磷脂分子，2t型和3t型。2t型磷脂分子刚性更强，3t型刚性较弱，当疏水长度较长时，3t型更容易形成稳定的单层膜结构。在低密度下细胞膜容易发生破裂，高密度时膜会发生弯曲起伏。2t型和3t型bola磷脂分子混合后形成的细胞膜中两种磷脂分子会发生相分离。当磷脂分子总数一定，但比例不同时，根据长度和类型的不同，相分离的程度也不同。两种磷脂分子差别越大，相分离越明显。膜蛋白质是细胞膜的重要组成部分，它能够使周围的细胞膜结构发生微小相变，促进蛋白质发生聚集现象。蛋白质的聚集过程可分为三个阶段：在初期蛋白质相互靠近，自由碰撞彼此聚集在一起，形成小聚集体，中期小聚集体继续聚集形成大聚集体，最后形成稳定的平衡体系，聚集体数量保持不变。蛋白质的聚集主要是通过改变细胞膜的厚度和bola型磷脂分子的弯曲程度来提供推动力。为了减小细胞膜形变所增加的自由能和有序性，蛋白质发生聚集。这与普通细胞膜中蛋白质聚集的疏水不匹配机理相类似，蛋白质的疏水长度与细胞膜疏水厚度越不匹配，聚集速度越快，聚集能力越强。但是古生菌细胞膜的单层膜结构使得膜厚只能在有限的范围改变，当蛋白质太大和太小时，聚集速度不会随蛋白质疏水长度减小或增加而增长，呈现出相反的趋势。项目还研究了油水界面上bola型磷脂分子的分布和性质，发现bola型磷脂分子在高浓度下两端的亲水基团会一端在水侧，一端在油侧，随着浓度升高，这种分子的比例逐渐增加。当两种bola型磷脂分子混合时，同样会发生相分离，分离程度与类型和疏水链长度相关。