幾何納米粒子與生物膜相互作用機制及其有序化研究

《幾何納米粒子與生物膜相互作用機制及其有序化研究》是依託蘇州大學，由楊愷擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：幾何納米粒子與生物膜相互作用機制及其有序化研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊愷
• 依託單位：蘇州大學

項目摘要

納米粒子與生物膜的相互作用是細胞研究中最基本的問題之一；而且，在某些細胞生命活動中，粒子能在生物膜的誘導下形成有序結構，從而為生物納米器件的製備提供一條新的思路。但遺憾的是，納米粒子與生物膜的相互作用機制及其有序化轉變機理尚不清楚。本項目將採用計算機模擬方法，研究納米粒子在不同作用方式下，其幾何性質和表面化學性質對生物膜曲率變化和磷脂分子堆積狀態、有序度的擾動，探清在兩者相互作用過程中，納米粒子的幾何性質和表面化學性質與生物膜形貌、力學性質和磷脂構型變化之間的耦合關係，以及由於生物膜對不同粒子擾動的傳遞和整合作用而產生的粒子空間位置變化之間的協作效應。在此基礎上，重點探索通過設計納米粒子和選擇一定的磷脂組分，來調節納米粒子與生物膜之間的相互作用，再（或）適當地輔助於外界因素下，實現多個納米粒子空間分布有序化轉變的可能性和條件，為理解生物膜的物理本質和相關的生物納米技術套用奠定良好的基礎。

結題摘要

在本項目中，我們採用計算機模擬方法，或結合模擬和實驗方法對具有複雜幾何形狀和表面化學性質的納米粒子與生物膜在不同作用方式下的相互機制展開了研究。通過對生物膜包裹不同形狀納米粒子的行為研究，我們發現旋轉在幾何納米粒子在內吞過程中具有相當的普適性：通過旋轉運動，配體-受體結合和膜形變之間的競爭關係能夠得到有效地調節，進而可以促進納米粒子的內化。進一步的研究表明，納米粒子幾何對稱性的破缺正是造成旋轉發生的主要原因。這種對稱性的破缺造成不同區域配體-受體形成和膜形變難易程度的差別及其兩者的競爭，從而影響納米粒子對旋轉模式的選擇。因此納米粒子在包裹過程中的旋轉是納米粒子與生物膜相互作用機制的直接體現。除了幾何複雜性之外，納米粒子的表面化學性質也會強烈地改變粒子與膜的相互作用機制。我們結合了實驗和模擬兩種方法，研究了表面化學性質可調控的pNIPAM微球在巨囊泡表面吸附以及進入巨囊泡過程的影響。結果發現，微球在巨囊泡表面的吸附或是進一步的進入，主要依賴於此過程中微球的表面性質由親水到疏水的轉變。而我們對以蜂毒肽為模型的納米棒與磷脂膜的相互作用研究也表明，粒子表面化學性質對兩者相互作用的影響所導致的納米棒的旋轉，正是粒子嵌入磷脂膜的關鍵因素。這些結果表明，納米粒子幾何形狀和表面化學性質的複雜性都是影響粒子與生物膜相互作用的關鍵因素。粒子的數量是另一個重要的影響因素。通過對磷脂膜包裹多個帶電納米粒子的行為進行模擬，我們發現納米粒子可以採取吸附、獨立包裹吞噬、或是協作包裹吞噬來實現兩者的相互作用。而這些構型或作用方式的發生取決於粒子的大小和表面帶電量的多少。而且，儘管粒子之間存在著靜電排斥作用，但由於膜的形變會誘使粒子相互靠近，改變粒子與膜的空間構型，因此，我們的模擬中觀察到了不同的納米粒子有序結構。如果納米粒子以物理穿透的方式與磷脂膜發生相互作用，則粒子的數量與表面化學性質會相互耦合，在穿膜過程中產生粒子之間有效的吸引或是排斥作用，從而導致粒子之間的相互協作和有序結構的出現。我們的研究表明，多個納米粒子在穿膜過程中的協作與粒子與膜相互作用力在膜平面方向上對稱性變化密切相關。這些研究結果對於先進納米尺寸藥物、基因輸運載體的設計和製備，以及蛋白質與細胞的相互作用等都具有重要的指導意義。截止到2014年，本項目一共發表SCI論文13篇，培養碩士研究生2名，均達到或超出項目預期目標。