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华南理工程正迪院士团队Angew. Chem.:放大生物膜的结构基元——巨型脂质分子的自组装模型体系研究

由于生物膜在生命体中不可或缺的重要性,基于生物膜结构的化学改进和研究从未停止。使用嵌段共聚物、两亲性树枝状分子、巨型表面活性剂、蛋白质、两亲性胶束等体系,对天然膜结构基元进行放大的是一种常用策略。人们因此在构筑具有新结构与新功能的生物膜方面取得了诸多突破性进展。另一方面,分子几何结构决定的堆积模式对介观结构的形成有决定性作用。在这个背景下,探究巨型类脂质分子的化学结构对组装结构的传递规律显得影响尤为重要。

图1. I型与T型巨型脂质分子的化学结构


最近,华南理工大学美国Akron大学程正迪(Stephen Z. D. Cheng)院士(点击查看介绍)团队通过精确的化学结构调控,研究了一系列人工合成巨型脂质分子的组装行为,并从热力学以及几何结构角度对组装行为进行了深入探讨。这类巨型分子由亲水碳60衍生物与疏水寡聚芴片段构成(图1)。它们重现了天然脂质的头-尾两亲结构、精确的化学组成以及简单无缠结的构象。在传统大分子体系中,构建同时具备这三类性质的分子是非常困难的。

图2. I型与T型分子在溶液中自组装的TEM形貌图,右上角插图为对应几何比例的分子模型。比例尺(a~e) 200 nm, (f~h) 50 nm


研究者首先根据几何结构将分子分为I型与T型两大类,它们分别对应于双尾型与多分叉型脂质分子。在I型分子中,变化寡聚芴片段长度将会改变头-尾长度比。而在T型分子中,改变寡聚芴片段长度将会改变亲-疏水横截面积比。由于设计的亲水碳60衍生物和疏水寡聚芴都具有刚性和精确的分子结构,所有几何参数均可被定量计算。在I型结构当中,研究者观察到了由双层分子的囊泡结构到单层分子穿插的纳米片之间的形貌转变。而在T型结构当中,研究者观察到了由囊泡进入六方堆积胶束的形貌转变(图2)。值得注意的是,即使在一对具有完全相同的化学组分的I 型和T型分子,亲-疏水连接模式不同,分子的介观相行为也会产生巨大的差异。

图3. 卷曲双层结构与平直穿插结构的自由能讨论


进一步地,研究者对组装过程的规律进行了两方面的探讨。从几何因素上看,分子的连接模式显著影响了堆积参数。在刚性尾部增长的过程中,T型分子堆积参数的增长速率明显高于I型分子。另一方面,作者讨论了各类自由能的在组装过程的贡献。对于I型分子,边界自由能与弯曲自由能的平衡最终决定了组装形貌;而对于T型分子,曲率结构的表面位错能量对系统稳定不利,这使得组装结构内界面消失,而内部的微观相分离提供了自由能进一步降低的途径。


这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上,本文的第一作者为Akron大学博士生严笑云,本文的通讯作者为程正迪院士和林志伟博士。


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Magnifying the Structural Components of Biomembranes: A Prototype for the Study of the Self‐Assembly of Giant Lipids

Xiao-Yun Yan, Zhiwei Lin*, Wei Zhang, Hui Xu, Qing-Yun Guo, Yuchu Liu, Jiancheng Luo, Xian-You Liu, Rongchun Zhang, Jiahao Huang, Tong Liu, Zebin Su, Ruimeng Zhang, Shuailin Zhang, Tianbo Liu, Stephen Z. D. Cheng*

Angew. Chem. Int. Ed., 2020, DOI: 10.1002/anie.201916149


导师介绍

程正迪

https://www.x-mol.com/university/faculty/26743


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