中國青年學者聯手，“摩擦”出一篇Nature Materials!
跨細胞雙層膜的瞬態電場可導致電穿孔和細胞融合，這些效應對細胞活力至關重要，其生物學意義已被廣泛研究。然而，人們對這些行爲在材料方面的瞭解甚少。
鑑於此，魏茨曼科學研究所Jacob Klein教授與Di Jin博士發現跨膜電場可導致塗有脂質雙層膜的表面之間的滑動摩擦發生大規模、可逆的調節——變化幅度爲200倍，比迄今爲止實現的水平高出兩個數量級。原子模擬表明，橫向場類似於細胞膜上的場，可導致受限雙層的完全可逆電穿孔，並形成類似於膜間融合前莖的雙層間橋。這些通過減少滑移面的水合作用增加了界面耗散，迫使其部分從低耗散、水合脂質頭基平面恢復到雙層內、高耗散酰基尾界面。結果表明，跨膜電場下的脂質雙層可以具有顯著的材料改性特性。相關研究成果以題爲“Cell-inspired, massive electromodulation of friction via transmembrane fields across lipid bilayers”發表在最新一期《Nature Materials》上。第一作者爲Zhang Yu和Jin Di。Dr. Di Jin，2009年-2013年就讀於MIT，2013年-2014年在加州大學伯克利分校攻讀碩士，2014-2018年在劍橋大學做博後，目前在魏茨曼科學研究所。2021年，她以第一作者兼通訊作者身份在PNAS上發文。作者研究了金屬（金）和電介質（雲母）基材（均塗有脂質邊界層）之間的不同電位差如何影響界面耗散。使用表面力平衡（SFB）裝置，研究人員可以改變金表面的電勢並測量由此產生的力。原子力顯微鏡(AFM)顯示凝膠相DSPC囊泡以緊密堆積的囊泡形式吸附，而液相POPC囊泡則破裂形成雙層。這種形態上的差異對於理解電場下的相互作用機制至關重要。圖1a是用於測量脂質塗層表面之間的法向力和剪切力的三電極改進SFB設置示意圖。它說明了金和雲母表面的排列、用於控制電位的恆電位儀以及力的測量。圖1b表明不同施加電勢下裸金和雲母表面之間的法向力分佈，擬合到泊松-玻爾茲曼方程以確定金表面電勢。AFM圖像分別顯示DSPC和POPC脂質體在雲母和金表面上的形態。圖像揭示了DSPC作爲密堆積囊泡的吸附以及POPC雙層的形成（圖1c，d）。在金表面上不同的施加電位下測量脂質塗層表面之間的法向力和剪切力分佈。對於POPC雙層，當兩個表面帶類似電荷時，會觀察到由於反離子滲透壓而產生的長程排斥。當電勢符號相反時，由於反離子逃逸而產生強烈吸引力。剪切力測量表明，相似的電位會導致低摩擦（μ≈10⁻3），這歸因於水合潤滑。然而，當電勢符號相反時，摩擦力顯着增加（μ≈0.1），並且這種變化是完全可逆的。這種行爲歸因於脂質雙層的電穿孔，其中脂質頭基水合減少，增加了界面耗散。圖 2a、2b顯示了分別在不同電位下 POPC 和 DSPC 塗層表面之間的法向力分佈。圖 2c、2d描繪了與法向力測量相對應的剪切力曲線。圖 2. 在金上施加不同電位時，含脂雲母和金表面之間的法向力和剪切力分佈滑動過程中剪切力隨着金勢切換而變化，顯示了摩擦轉變的可逆性。該設置確保剪切力的變化是由於脂質邊界層中場引起的變化而不是法向力的變化所致（圖3a）。進一步，疊加在固定電位曲線上的電位切換的摩擦力數據，證明了與早期測量的一致性（圖3b）。最後，高鹽濃度 (0.1 M NaNO₃) 下的法向力和剪切力分佈，顯示由於離子篩選而抑制了場效應對剪切耗散的影響（圖3c，d）。圖 3. 高鹽濃度下原位 DSPC 雲母和金表面之間剪切力的電位調節進行全原子分子動力學（MD）模擬來了解界面能量耗散可逆變化的根源。模擬顯示，在電場下，脂質雙層發生電穿孔，產生孔隙，導致水合水平降低並形成雙層間橋。這些橋類似於膜融合之前的莖，並通過迫使滑移面恢復到高耗散酰基尾部界面來顯着增加界面耗散。模擬表明，摩擦係數的變化與實驗觀察結果非常吻合。圖4a展示了電場下受限POPC雙雙層系統的模擬裝置，顯示了脂質分子和水的排列。通過快速拍攝不同水合水平下電穿孔POPC雙層的快照，表明孔和橋的形成（圖4b）。電穿孔對雙層界面的影響示意圖，說明水合作用減少和摩擦增加（圖4c）。此外，雙層中P-N角的角度概率密度，顯示電場下偶極子方向的變化可以忽略不計（圖4d）。最後，作者發現雙層中最近的鄰居之間的最接近的間隔，顯示由於電穿孔而減少的間距（圖4e，f）。圖 4. 限制在金和雲母固體板之間的脂質雙層的原子模擬結果本文的結果表明，細胞脂質雙層膜在跨膜電場作用下會發生相同的生物學重要變化，即電穿孔（使離子傳輸成爲可能）和莖形成（作爲膜半融合的前兆），這些變化可用於強烈改變材料性質。對於限制在兩個表面之間的PC脂質雙層，與跨細胞膜的橫向電場類似的橫向電場會導致兩個塗有PC脂質層的滑動表面之間的界面耗散發生大規模、可逆的調節。此類變化的動態範圍比之前報道的非脂質界面層中類似的場誘導變化高出兩個數量級。詳細的原子模擬表明，這種變化的分子起源是由雙層電穿孔引起的結構變化造成的。首先，由於雙層-雙層滑移面上單位面積界面水含量減少，複雜的孔隙拓撲結構導致頭部基團相互作用更強。其次，界面橋的存在（類似於膜間融合之前的莖）在拓撲上消除了水合頭部基團-頭部基團界面完全滑移的可能性。在這兩種情況下，摩擦力的增加都與滑移面從水合頭部基團界面向酰基尾之間的滑移面的反轉或部分反轉有關。這種效應在切換電位時是完全可逆的，並且顯示會導致界面耗散，這與實驗結果完全一致。總之，雖然跨膜電位在細胞生物學背景下得到了深入研究，但它們對脂質雙層界面特性的驚人影響卻是新發現的。這一結果可能對細胞生物物理學產生影響，因爲它與膜半融合和融合有關，而在材料領域，當固體表面通過脂質雙層接觸時，它可能具有相關性。這是因爲這些層的厚度爲納米級，即使它們之間的電位差很小，也會產生很大的橫向電場，這種場可以通過與自然界細胞膜相同的機制導致界面特性的大規模可逆調節。--檢測服務--
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