几何纳米粒子与生物膜相互作用机制及其有序化研究

纳米粒子与生物膜的相互作用是细胞研究中最基本的问题之一；而且，在某些细胞生命活动中，粒子能在生物膜的诱导下形成有序结构，从而为生物纳米器件的制备提供一条新的思路。但遗憾的是，纳米粒子与生物膜的相互作用机制及其有序化转变机理尚不清楚。本项目将采用计算机模拟方法，研究纳米粒子在不同作用方式下，其几何性质和表面化学性质对生物膜曲率变化和磷脂分子堆积状态、有序度的扰动，探清在两者相互作用过程中，纳米粒子的几何性质和表面化学性质与生物膜形貌、力学性质和磷脂构型变化之间的耦合关系，以及由于生物膜对不同粒子扰动的传递和整合作用而产生的粒子空间位置变化之间的协作效应。在此基础上，重点探索通过设计纳米粒子和选择一定的磷脂组分，来调节纳米粒子与生物膜之间的相互作用，再（或）适当地辅助于外界因素下，实现多个纳米粒子空间分布有序化转变的可能性和条件，为理解生物膜的物理本质和相关的生物纳米技术应用奠定良好的基础。

在本项目中，我们采用计算机模拟方法，或结合模拟和实验方法对具有复杂几何形状和表面化学性质的纳米粒子与生物膜在不同作用方式下的相互机制展开了研究。通过对生物膜包裹不同形状纳米粒子的行为研究，我们发现旋转在几何纳米粒子在内吞过程中具有相当的普适性：通过旋转运动，配体-受体结合和膜形变之间的竞争关系能够得到有效地调节，进而可以促进纳米粒子的内化。进一步的研究表明，纳米粒子几何对称性的破缺正是造成旋转发生的主要原因。这种对称性的破缺造成不同区域配体-受体形成和膜形变难易程度的差别及其两者的竞争，从而影响纳米粒子对旋转模式的选择。因此纳米粒子在包裹过程中的旋转是纳米粒子与生物膜相互作用机制的直接体现。除了几何复杂性之外，纳米粒子的表面化学性质也会强烈地改变粒子与膜的相互作用机制。我们结合了实验和模拟两种方法，研究了表面化学性质可调控的pNIPAM微球在巨囊泡表面吸附以及进入巨囊泡过程的影响。结果发现，微球在巨囊泡表面的吸附或是进一步的进入，主要依赖于此过程中微球的表面性质由亲水到疏水的转变。而我们对以蜂毒肽为模型的纳米棒与磷脂膜的相互作用研究也表明，粒子表面化学性质对两者相互作用的影响所导致的纳米棒的旋转，正是粒子嵌入磷脂膜的关键因素。这些结果表明，纳米粒子几何形状和表面化学性质的复杂性都是影响粒子与生物膜相互作用的关键因素。粒子的数量是另一个重要的影响因素。通过对磷脂膜包裹多个带电纳米粒子的行为进行模拟，我们发现纳米粒子可以采取吸附、独立包裹吞噬、或是协作包裹吞噬来实现两者的相互作用。而这些构型或作用方式的发生取决于粒子的大小和表面带电量的多少。而且，尽管粒子之间存在着静电排斥作用，但由于膜的形变会诱使粒子相互靠近，改变粒子与膜的空间构型，因此，我们的模拟中观察到了不同的纳米粒子有序结构。如果纳米粒子以物理穿透的方式与磷脂膜发生相互作用，则粒子的数量与表面化学性质会相互耦合，在穿膜过程中产生粒子之间有效的吸引或是排斥作用，从而导致粒子之间的相互协作和有序结构的出现。我们的研究表明，多个纳米粒子在穿膜过程中的协作与粒子与膜相互作用力在膜平面方向上对称性变化密切相关。这些研究结果对于先进纳米尺寸药物、基因输运载体的设计和制备，以及蛋白质与细胞的相互作用等都具有重要的指导意义。截止到2014年，本项目一共发表SCI论文13篇，培养硕士研究生2名，均达到或超出项目预期目标。