软凝聚态和生物物理交叉领域获重要成果

2010-10-01 22:30 来源: 中国科学院
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  最近,在国家自然科学基金和科技部“973”项目的资助下,南京大学固体微结构物理国家实验室和物理学院教授、苏州大学软凝聚态物理及交叉研究中心教授马余强课题组,在软凝聚态和生物物理交叉领域取得了系列重要进展,其中两项成果分别刊登在最近出版的美国《国家科学院院刊》(PNAS)和《自然—纳米技术》(Nature Nanotechnology)上。

  发表在美国《国家科学院院刊》上的论文题目为《理解植物细胞皮层微管自组织的相行为》,作者是南京大学物理学院2007级博士生施夏清和导师马余强。

  据马余强介绍,植物细胞皮层微管阵列是一种独特的细胞骨架结构。与动物细胞不同的是,植物细胞骨架没有中心体。在细胞分裂间期,微管分布在液泡和植物细胞质膜之间的细胞质壳层中。1962年,Paul Green就推测在植物细胞皮层存在高度各向异性的物质结构。1963年,Ledbetter和Porter在植物细胞质膜下观察到平行排列的环纹状结构,并将这种独特的纤维状物质命名为“微管”。“这种环纹状结构就是植物细胞皮层微管阵列,它在植物细胞形态发生中起着至关重要的作用”。2003年,通过荧光显微技术,Sidney L.Shaw等人观察到微管在质膜上的“踏车”(treadmilling)运动。2004年,Ram Dixit和Richard Cyr进一步发现,“踏车”运动导致微管之间相互碰撞,并可能诱发微管的自发有序化。这些发现引发了微管有序化方面的理论探讨。特别有意义的一个挑战是,在没有中心体的情况下,细胞分裂周期中不同时期的微管组织形态是如何形成和调控的。

  该研究从理论和模拟两方面深入探讨了存在聚合—解聚反应的微管系统中发生有序和无序转变的调控机制。研究发现,在这样的系统中,聚合反应往往和微管间的相互作用发生耦合,从而实现新颖的有序—无序转变机制。通过调控微管的聚合—解聚速率往往就能实现向列相有序—无序的转变。不仅如此,通过改变微管的其他动力学参数,比如成核速率、灾变速率,也能促发形态的有序—无序转变。作者通过建立理论模型,结合大规模的数值计算和模拟,得到了系统的相图,并揭示了相图各区域的相转变特性。相图揭示了系统存在两种不同的向列相有序态。这些有序态和无序态之间的转变,可以通过连续或不连续相变完成。转变特性取决于系统的动力学参数。这些研究结果不仅印证了实验上关于皮层微管阵列有序化机制的猜测,同时也有助于生物学家进一步理解微管出现自发有序的微观调控机制。

  题为《形状不同纳米粒子入侵细胞膜的计算机模拟研究》的论文发表在《自然—纳米技术》8月刊上。作者是南京大学物理学院2006级博士生杨恺和导师马余强。

  对于生物技术的发展而言,纳米粒子可谓是一把双刃剑。一方面,纳米粒子能突破细胞膜的保护,将基因、蛋白、药物或其他有用的分子输送到细胞的内部,因此被认为是一种极有应用前景的基因和药物输运载体或生物显影剂,有望使人类对于疾病的治疗和诊断达到细胞甚至亚细胞的水平。但另一方面,纳米粒子却有着极大的细胞毒性,因此会阻碍其广泛应用。要解决这一矛盾,最关键的一点是要深入理解纳米粒子在穿膜过程中与细胞膜的相互作用机制。

  对这方面的研究,人们大多集中在对纳米粒子表面的化学改性上,而对于粒子的物理性质特别是粒子几何形状效应,却还被忽视。实际上,在自然界中许多涉及穿膜的细菌和蛋白,如李斯特菌和革兰氏阴性细菌——沙门氏菌,都具有各向异性的形状,而不是各向同性的球形物质。因此,理解在穿膜过程中纳米粒子几何性质对它们的相互作用影响,对进一步推动纳米粒子在生物技术方面的应用以及理解细胞膜相关现象的物理本质极其重要。

  通过计算机模拟研究发现,纳米粒子的大小、形状和表面化学性质会强烈地影响粒子与细胞膜的相互作用,但它们之间的影响常常是耦合在一起的。马余强和杨恺系统地研究了粒子形状对穿膜的影响,发现粒子形状的影响体现在粒子几何性质的各个方面:粒子形状的各向异性程度和粒子相对于膜的初始取向,是其中最为关键的影响因素,它们决定了粒子穿膜能力的另外两个重要因素——粒子与膜的接触面积和粒子在接触点处的局部曲率变化。而对于粒子的体积,在粒子的物理穿透过程中,却并非一个直接的影响因素。更有意义的是,模拟还揭示了粒子在穿膜过程中会发生两个相反的旋转过程,而这些旋转过程使得粒子几何性质的影响相互耦合,从而使粒子的穿透变得更为复杂。因此,如何利用不同粒子穿膜的旋转动力学是设计纳米粒子穿透能力的一个关键因素。

  他们研究认为,如果能充分利用粒子的几何性质,有可能赋予纳米粒子一些特殊功能。例如,它有可能极大地提高纳米粒子的载药能力,还有可能使得纳米粒子具有对特殊细胞的靶向识别能力,从而降低对正常细胞的毒性。

  “因此,这些研究结果对今后高性能和低毒性纳米尺度药物输运载体的设计和制备具有重要的指导意义。”有关专家表示。