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波動熵力及其作用研究取得進展

作者:李龍 2020-01-15 16:25 來源:
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  波動熵力源于熱擾動,在納米尺度是極爲重要的一種普適的長程力。特別是波動熵力在衆多細胞進程中發揮了極爲重要的作用。例如,通過影響細胞粘附,波動熵力能夠充分地調控癌細胞的轉移過程。因此,對波動熵力性質及其作用的研究構成了微/納米尺度科學研究的重要基礎。然而,波動熵力基本的作用規律及其性質尚未完全清楚,是當前微/納米尺度科學研究中的一個重要的挑戰。 

  中國科學院力学研究所非线性力学国家重点实验室(LNM)“生物及仿生材料力学”课题组的李龙助理研究員和宋凡研究員,与国内外相关研究人员合作,以波动熵力为切入点,围绕细胞粘附的力学调控机制,逐层深入地开展了系统的研究工作,并取得系列研究成果。 

1)基于彈性力學、統計力學理論,獲得了波動熵力(f)的基本力律,得到實驗驗證,並進一步給出了波動熵力的主要力程。在此基礎上證明了,當膜間平均距離(c)足夠小時,Helfrich提出的f ~ c-3力律關系與Freund提出的f ~ c-1力律關系分別爲本研究結果的上限與下限,爲結束當前關于波動熵力力律的國際爭論奠定了理論基礎 (Acta Mech. Sinica, 2016, 32: 970-975 (AMS 2018 Best Paper Award); Phys. Rev. E, 2017, 95: 012403; Adv. Mech., 2018, 48: 201801; Sci. China. Phys. Mech., 2018, 61: 128711)

 

圖1 理论结果与实验结果对比以及膜间距c很小时,波动熵力f 的上限值和下限值

2)在研究了波動熵力基本規律的基礎上,探究了該熵力在細胞粘附過程中發揮的作用。首先研究了波動熵力對粘附蛋白鍵合作用的影響,建立了考慮波動熵力影響的細胞粘附多尺度模型。研究表明細胞膜上引入脂筏前後,波動熵力對膜間受體-配體鍵合的影響由抑制作用變爲了促進作用。其本質原因在于,在波動熵力的作用下,脂筏內的蛋白質聚集引起的細胞膜構象熵增加。從而揭示了波動熵力與脂筏在膜間受體-配體相互作用過程中的協同效應,爲現存的相互矛盾的實驗結果提供了新的解釋 (Soft Matter, 2017, 13, 4294-4304; Phys. Rev. E, 2018, 97: 012405; Soft Matter, 2019, 15, 3507-3514 (Cover article))

  2 對于均質膜系統(細胞膜上無脂筏,僅含有粘附蛋白),波動熵力抑制了受體-配體鍵合(子圖),而在含有脂筏的多组分膜系统中,波动熵力促进了受体-配體鍵合 

  其次,研究了波动熵力对细胞粘附过程中粘附蛋白分布的影响,构建了多尺度计算模袌D捌骄场理论模型。研究结果显示,由于粘附蛋白在脂筏区内键合前后的平动熵损失量小于在非脂筏聚集区内键合前后平动熵的损失量,使得受体-配體的鍵合作用促進了脂筏聚集相變,進而引起粘附蛋白的聚集。理論分析結果表明,波動熵力會使得受體-配體結合體間産生吸引作用。借助粘附蛋白與脂筏間的親和性,波動熵力可以進一步促進脂筏聚集相變與粘附蛋白聚集(Nano Lett., 2020, 20, 1: 722-728)。文章一經發表,“納米人”即對該項結果進行了專欄報道,指出“即使在非吸附膜中大尺度的團簇是熱力學不穩定的,細胞間受體-配體結合和膜的形狀波動也會導致受體在粘附膜內聚集。”

 

3 波動熵力促進了蛋白質聚集與脂筏相變:對于平板膜系統,此時膜間無波動熵力,脂筏發生相變時所需的脂筏間吸引力爲0.88U0*。引入波動熵力後,即對于波動膜系統而言,該值降爲0.81U0*

   以上研究工作得到國家自然科學基金 (11472285, 11902327, 11972041)、中國科學院战略性先导科技专项(B類)(XDB22040102)、國家重點研發計劃(2016YFA0501601)等項目資助。 

 

 
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