蛋白与生物膜相互作用引起的组分再分布及膜形态演变

Lipid rafts are important biomembrane function-related structures, whose interaction with proteins is not fully understood. We will employ phase-separated giant unilamellar vesicles (GUV) to explore the membrane reassembly caused by cholera toxin B subunits (CTB) binding to membrane ligand ganglioside GM1. The protein-lipid, protein-protein interaction mechanism underlying the membrane phase separation and tubulation will be clarified. We will study the dependence of the multivalence-recognition-induced lipid mixing transition on the chain length and unsaturation of the GM1 acyl chains, understanding the roles of lipid-protein interaction and lateral diffusion confinement in regulating the entropy and enthalpy changes/competition of the system. Based on GUV with stable liquid order-disorder separation components, we will investigate the effect of temperature gradient on lipid raft growth, migration and lipid diffusion pattern after CTB-GM1 binding, answering how CTB influences the lipid lateral motion to control the membrane reassembly under thermal field. We will obtain the critical CTB concentration for membrane tubulation, as well as the size and density of the tubules. Theoretical model will be utilized to understand the physical mechanism of the protein accumulation, local curvature formation and tubulation dynamics under the competition of membrane bending, membrane/line tension, adhesion energies. The results may provide valuable reference for inhibiting toxin infection and designing virus-like drug delivery systems.

磷脂筏是生物膜重要功能区域，蛋白与该结构的作用机制尚待全面深入研究。采用含神经酰胺GM1的相分离巨囊泡（GUV）为模型，研究模型蛋白霍乱毒素B（CTB）绑定造成的磷脂膜再组装，弄清组分相混性转变、微管化等动力学过程中的蛋白-磷脂、蛋白-蛋白间相互作用相关的物理机理。研究多价识别导致的磷脂相混性转变的GM1疏水链长度和不饱和度依赖性，探索磷脂与蛋白作用、侧向扩散受限等调控的熵变和焓变及竞争。选择稳定液液相分离膜组分，研究GUV表面温度梯度驱动的膜微畴再生长与迁移、CTB绑定GM1的扩散模式，探索CTB如何在外场下协同磷脂侧向扩散运动调整膜再组装。获取CTB识别GM1导致微管形成的临界浓度、及微管的尺寸密度等，基于理论模型，深入探索膜弹性能、膜张力/线张力和粘滞力等共同作用下，蛋白质聚集、局部曲率形成和微管生长动力学的内在机制。研究成果将为抑制毒素感染和仿病毒纳米载药开发提供有价值的参考。

本项目基于实验和理论方法研究了蛋白与生物膜相互作用引起的组分再分布及膜形态演变问题。首先，为了弄清非刚性膜蛋白吸附导致的膜形态演变物理机理，研究了柔性多聚赖氨酸多肽诱导负电性磷脂巨囊泡的响应行为。从理论上分析了粘连、出“绳”、融合及破裂现象发生的内在物理机理。研究发现，阳离子性的聚赖氨酸与蜂毒肽对膜破坏作用的不同。蜂毒肽导致膜泄露和破裂。我们发现纳米量级的LUV膜和微米量级的GUV膜介导线性阳离子肽的活性不仅取决于膜电性、电量、电荷密度及膜相态，还受磷脂的自发曲率和肽与膜的结合方式控制。研究比较了非离子型Triton X-100和离子型CTAB与SDS表面活性剂对磷脂膜破坏作用，发现前者更易高效地插入生物膜, 从而诱导膜结构再组装。研究发现类疏水蛋白的金纳米颗粒尺寸与厚度的关系影响着对膜的破坏作用。大的颗粒空间位阻效应抑制磷脂侧向扩散，而小的通过破坏磷脂有序性结构促进磷脂侧向扩散。基于分子场理论分析，诠释了盐离子、pH值、温度等因素影响蛋白质及生物相容性大分子等结构及性能变化的内在分子机理。研究了中性粒细胞膜包膜载药体系的肺炎靶向性，发现中性粒细胞膜表面CD11等粘附与信号转导膜蛋白诱导颗粒在炎症区域的富集，提高药效。研究了磷脂包裹多孔硅纳米颗粒的细胞内吞，发现包膜侧向流动性有利于提高细胞内吞效率。基于Hill 动力学与Michaelis-Menten 等方面的理论，开展了系列有关细胞分化、凋亡等研究，为阻断乙型肝炎向 HCC 转变通路的治疗方案提供理论依据。这些研究将为抑制毒素感染和仿病毒纳米载药开发提供有价值的启示。