力学所肺表面活性剂生物分子冕产生机理商讨获

2019-09-23 10:24栏目:关于科技
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饮用水短缺、土壤保湿、植物抗旱、生物分子功能的理解以及药物分子的水溶性等都是目前工业社会面临的问题,因此理解微观尺度水的行为及其基本性质具有重要的意义。最近,中国科学院上海应用物理研究所水科学与技术研究室在相关领域取得系列进展,三篇论文发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)(PRL 115,164502;PRL 115,186101和PRL 115,195901),英国的Chemistry World就其中的部分工作进行了专门报道。

近日,中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室研究员胡国庆等在肺表面活性剂冕(pulmonary surfactant corona)形成机理研究方面取得新进展,揭示了纳米颗粒与肺表面活性剂交互作用后形成生物分子冕的演化规律,发现了纳米颗粒表面亲疏水性质对分子冕的结构起着决定性作用。该研究成果发表在国际纳米科学期刊ACS Nano上,论文第一作者为博士研究生胡青林,合作者为美国夏威夷大学教授Zuo Yi。

海水脱盐是解决水资源危机的重要手段之一。尽管现在已有商业化的过滤技术,但是如何降低能耗依然是大问题。自2005年以来,多个实验表明碳纳米管膜具有很好的水透过能力,因而人们预期碳纳米管可以作为性能极佳的海水脱盐膜材料。至今十年过去,尽管碳纳米管膜的合成制造技术已经有了极大的提高,然而并没有相关实验表明碳纳米管膜具有海水脱盐效果。博士生刘健、博士石国升和研究员方海平等,采用经典力场与量子力学计算结合的手段,提出造成这一困局的关键是离子会阻塞碳纳米管。造成这种阻塞的关键原因是离子与碳纳米管中的芳香环之间存在上世纪80年代才发现的阳离子-p相互作用。研究者发现了即使离子水合以后仍然与碳纳米管之间存在着强的阳离子-p相互作用,并建立了相关计算软件。基于此物理机理,研究人员提出了两种可能的改进方案,即管口修饰饱和基团以及施加电场,两者都可以在保持100% 的脱盐率的条件下,将碳纳米管在盐水中的水渗透性能提高到接近其在纯水中的性能。该研究工作被英国的Chemistry World 以《纳米碳管海水脱盐膜研究可以重回正轨》为题进行了专门报道(Nanotube desalination could be put back on track)。

纳米颗粒进入生物体后,因其高表面自由能,很容易吸附生物体液中的各种蛋白质分子,在颗粒表面形成生物分子冕。纳米颗粒的吸附作用不仅可能改变蛋白质分子的结构乃至功能,而且会改变初始纳米颗粒的粒径及表面性质,从而影响随后的细胞摄取行为和生物效应。迄今为止,有关生物分子冕的绝大部分认识来自于纳米颗粒与血浆的交互作用,而肺部是纳米颗粒进入人体的最主要途径,肺表面活性剂与纳米颗粒交互作用形成分子冕的研究极为缺乏。

水分子在细胞组织中占据比例高达70%,在蛋白、核酸、生物膜结构的形成、稳定以及功能的实现中发挥着重要作用,然而人们对水分子如何具体发挥生物功能却知之甚少。即使对于由羧酸为终端的烷链自组装而成的二维仿生膜表面,在25年以来的相关理论和实验研究中,人们也无法理解其表面水的行为和性质。博士生郭盼、研究员方海平等与扬州大学物理科学与技术学院教授涂育松合作,运用量子力学计算和分子动力学模拟研究,发现在室温环境下水分子能够嵌入这个自组装膜表面,与表面的羧酸形成完整稳定的复合结构,这种结构增强了仿生膜的稳定性并使原本超亲水表面展现显著的疏水特性。该项研究是国际上首次发现水分子主动嵌入并形成仿生表面复合结构,解决了以羧酸为终端的烷链自组装仿生表面水性质这个长达25年的谜团。更重要的是,该工作研究的二维自组装仿生膜与真实生物分子有着高度的相似性,此项研究提供一个理解“生物水”以及生物水可能承载生物功能方面的新视角。

力学所研究团队采用粗粒化分子动力学模拟,研究了吸入纳米颗粒与肺泡液体中肺表面活性剂的交互作用,发现了具有不同物理化学性质的纳米颗粒在接触到肺表面活性剂后,均会吸附并形成由磷脂分子和活性剂蛋白分子组成的生物分子冕。分子冕的结构依赖于纳米颗粒表面的亲疏水性质,亲水颗粒形成双层冕结构而疏水颗粒形成单层冕结构;分子冕将为纳米颗粒提供一类物理化学屏障,使得纳米颗粒亲疏水性质趋同,且能增强纳米颗粒的生物识别。

自然界中生物和材料表面,比如植物表面、土壤表面以及细菌表面等普遍存在少量甚至纳米尺度的水。这些表面绝大多数的亲疏水性质并不均一,通常是亲水和疏水区域相间的结构。因此表面亲疏水区域相间结构上的少量水蒸发对植物的抗旱,土壤的沙化以及细菌的生存等产生决定性的影响。万荣正、方海平等与浙江农林大学理学院教授周国泉合作,运用分子动力学模拟方法,将纳米尺度三角形亲疏水区域相间结构作为模型研究了纳米尺度水在其表面的蒸发情况,发现在一些特定亲疏水区域相间表面,纳米尺度水的蒸发比所有均一性质表面都快。这一快速蒸发的关键在于亲疏水边界的扩散行为,因此亲疏水区域相间表面上水的蒸发速度会与亲疏水区域边界的总长度相关。此项研究深入了对动植物非均一性质表面上纳米尺度水蒸发的理解。

该研究得到了国家自然科学基金委重大研究计划、中科院前沿科学重点研究计划、中科院B类先导专项的资助。研究成果不仅加深了对肺表面活性剂分子冕形成机理的认识,而且指明了在肺毒理和肺部纳米给药研究上应考虑此分子冕的影响,得到了评审组的较高评价。

这些工作由中国科学院上海应用物理研究所、扬州大学物理科学与技术学院和浙江农林大学理学院的研究人员合作完成,得到了中国科学院、国家自然科学基金委、上海市自然科学基金以及中国科学院北京超算中心和上海超算中心的共同资助和支持。

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图1. 水相中肺表面活性剂的自组装结构

图1: 溶液中的钠离子可以吸附在碳纳米管的管口或内部,导致碳纳米管中的水流被堵塞

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图2. 两种典型纳米颗粒(亲水银颗粒和疏水聚苯乙烯颗粒)上所形成肺表面活性剂冕的结构和组分

图2:水分子嵌入羧基基团表面所形成的完整稳定的复合结构

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图3:纳米尺度表面亲疏水相间结构对少量水蒸发的促进作用

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