智能大分子在生物膜环境中的响应行为及其对膜功能的调控机制

Membrane fusion, endocytosis and transmembrane transport are the main physiological function of cell membrane, which decide the growth, reproduction, metabolism of living body. These functions and processes are related to the disease and cure directly. In recent years, the introduction of intelligent macromolecules into the medical field has made the diagnosis and treatment be more and more controllable. In this study, thermo-sensitive zipper-type lipopeptides and photo-sensitive amphiphilic copolymers are self-designed and synthesized. Monolayer and bilayer of phospholipid/macromolecule mixture are prepared for exploring systematically the membrane properties (interaction between molecules, stability, mobility) and membrane biofunctions (permeability, fusion) by using both experimental and molecular modeling methods. Their characterizations of responding behavior at interface and how the behaviors influence the membrane functions are discussed. And, the relationship between membrane properties and membrane functions is summarized for understanding what membrane feature would be in favor of membrane fusion. Since biomembrane is a special micro environment, it is important to study the interfacial response behavior of macromolecules in the membrane and their contribution to the membrane physiological function. The results would be great scientific significant to the understanding of the mechanism of biomembrane function, to the realization of biomembrane controllability, and also to the promoting the development of multifunctional anticancer drug carriers.

膜融合、膜内吞、跨膜运输是细胞膜用于转运物质的主要生理功能，是自然界中生物体赖于生长、繁殖，完成新陈代谢、实现生命过程的最基本过程，这些功能和过程都直接与疾病的产生和治愈密切相关。近年，医疗领域中环境刺激响应型分子的介入使越来越多的疾病诊断、治疗过程变得智能可控。本项目设计、合成温敏拉链型脂肽和光敏两亲聚合物系列智能大分子，以磷脂/智能大分子自组装单、双分子层膜为研究对象，利用实验和分子模拟的方法，对膜性质（分子间作用、稳定性、流动性）和膜功能（渗透性、融合性等）进行深入系统的研究，探讨界面上大分子在环境刺激下的响应行为及其促使膜生物功能实现的规律，通过总结膜特征和膜功能的相关性，归纳有利于膜融合的膜特征等科学问题。生物膜界面是一个特殊的微观环境，研究大分子在膜中的界面响应行为及对膜生理功能的贡献，对剖析理解生物膜功能机制、实现生物膜性能的可控性、研发多功能抗肿瘤药物载体具有重要科学意义。

细胞膜具有精密而复杂的结构，基本构成主要由磷脂组装而成的可流动双分子层，其中镶嵌浮游着多种功能性蛋白质和糖类，它们背负着细胞识别、信号传递等使命。细胞膜的生理过程必然受这种特殊结构和功能的影响，而这些功能和过程都直接与疾病的产生和治愈密切相关。本研究围绕智能聚合物分子的设计、合成，及其和磷脂分子在界面上的相互作用为主线，聚焦于选择合适的环境刺激响应型智能大分子嵌入磷脂双分子层膜，从分子水平上研究磷脂分子与智能大分子的相互作用、了解智能大分子对磷脂双分子层膜结构和功能的影响，以及磷脂膜环境对智能大分子响应的影响，研究生物膜结构、特性与膜功能的相关性、膜完成生理功能的分子机制，探讨了智能分子对于生物膜结构特性、功能的影响作用。.获得主要结论有：(a) 智能聚合物分子的插入，对生物膜的流动性有较大影响，流动性和智能分子的分子结构、智能分子和磷脂分子间作用力等条件有关；(b)从分子水平上探索混合膜实现智能控释、优化细胞转染的规律，研究了混合膜中智能分子的环境刺激响应行为及以此所构成的环境响应迅速、释药精确可控的脂质体载药体系，研究发现脂质体膜的流动性对药物可控释放行为有直接的影响；(c)研究生物膜实现膜融合、膜内吞等生理过程的微观机理，研究发现混合体系中，膜的流动性与混合比率、磷脂组分有关，混合组分中含不饱和碳链的磷脂含量越高，膜的流动性越强，稳定性越差，对智能分子的环境响应能力制约性就弱；同时发现膜的流动性强有利于膜的融合。研究结果将为设计和制备多功能型、具有环境响应性的药物或基因转染载体以及脂质体在其它领域的应用提供理论指导。