分子自组装是众多生物生命活动和生物学功能得以实现的基础,自然界环境中的生物体就是复杂的自组装体系,也是自然界中普遍存在的现象,多年来一直是科学研究的热点领域。分子自组装。自2013年关于细胞囊泡运输调控机制的发现被授予诺贝尔奖,对于囊泡的研究越发引起科学家的兴趣。众所周知,细胞膜由脂质双层和膜蛋白组成,生物膜的结构直接影响着细胞内外物质的输运,通过囊泡与细胞膜融合可精确控制分子传递,囊泡精确控释作用在医疗、食品、生命科学受到广泛关注。近年来,自组装行为的研究主要集中在材料科学、药物运载体系、生物工程等科学领域的研究,如材料科学中的高分子组装体;传统脂质体形成囊泡包埋药物作为缓释载体等等。生命科学和材料科学的发展推动了分子间相互作用的研究,在生物体内,许多分子是以高度有序的方式组合的,才能具有一定的功能。例如,细胞膜中磷脂与胆固醇形成高度有序排列体是生物新陈代谢过程中必不可少的部分。细胞膜既通过选择性渗透来调节和控制细胞内、外的物质交换外,还能由膜包围形成膜泡实现物质转运,如小肠上皮细胞对营养物质的吸收。细胞分泌到胞外环境中囊泡直径约为100-1OOOnm,富含磷酸甘油酯、饱和脂肪酸酰基链、胆固醇等,携带了特定的蛋白质、脂质、RNA和DNA,在细胞间传递分子信号。囊泡与通道蛋白、膜磷脂相互作用改变膜磷脂的结构与流动性,可能会造成细胞膜结构完整性、屏障功能、细胞的分化成熟程度。蛋白质以其带电的氨基酸或基团与磷脂极性头相互作用,同时,细胞膜脂肪酸的组成对膜的流动性起决定作用,胞内正电荷与负电荷形成诱导电场,外源性电场可以影响膜上的离子泵状态、膜力学特性以及结合水分子等进而影响细胞形态与细胞膜电位的变化。最近,Science及生物领域杂志接连刊登有关囊泡的文章,表明了囊泡结构在生理活动中的重要作用正得到加强。目前,关于国际上囊泡的研究热点主要集中在两个方面:一是研究此类单链表面活性剂聚集结构的动力学性质及受pH诱导转变的结构和理论;利用非共价相互作用,通过多层次的自组装过程产生大量的生物材料。二是以囊泡作为原细胞模型,研究其从单体向球体结构的转变过程。囊泡最初的研究对象主要是饱和或不饱和长链脂肪酸,如油酸、亚油酸。通过实验我们发现生物代谢有机小分子也能自组装形成囊泡,如脂肪酸、天然氨基酸等单链小分子也可以通过改变末端羧基的质子化/离子化形成聚集体。另外,具有特定结构的超小双亲分子,如直链非天然氨基酸也能通过分子间非共价键的作用下,自发形成有序、稳定结构的聚集体。特别在生物体内,由代谢或膳食摄取的脂肪酸、氨基酸等超小双亲分子广泛存在,它们在一定条件下也能自组装形成单分子层囊泡结构。同时,脂肪酸、氨基酸等超小双亲分子单分子形成的囊泡结构与细胞分泌到胞外环境中的脂质微囊泡和凋亡小体具有相仿的中空球形结构,直径都在200nm范围,所以通过对脂肪酸、氨基酸等超小双亲分子自组装形成条件与机制研究,将有利于我们深入了解生物体内自组装与生命活动相关的现象。但是,对于小分子自组装,特别是超小双亲分子自组装行为的研究则末见报道。过去,一般认为链长Cn<8的单链小分子不易自组装形成稳定囊泡结构。我们通过不同链长单链双亲分子在水溶液中形成聚集形态的研究,发现脂肪酸链长在5<Cn<8的超小双亲分子也能在一定条件下自组装形成稳定的囊泡结构。在实验确认了最短形成囊泡的脂肪酸链长的基础上,集中研究了直链最短饱和脂肪酸、直链非天然氨基酸、天然氨基酸等超小双亲分子在水相中进行自聚合形成囊泡的结构,对其组装体的稳定性、结构、形成机理等问题进行深入的探讨。实验利用红外光谱(FT-IR)、紫外可见光谱(UV-vis)、激光粒度仪、激光共聚焦显微镜(CLSM)、透射电子显微镜(TEM)和低温透射电子显微镜(Cryo-TEM)对自组装性质与形貌特征进行跟踪表征;采用Zetapals电位分析仪测试组装体的粒径及分散系数。同时,设计溶液pH变化、链长关系、溶剂-界面等多种自组装调控方法,考察浓度、链长效应、pH等对生物体代谢中间产物超小双亲分子在溶液中自组装行为的调控机制。根据实验需求开发了一套基于荧光探针囊泡与细胞相互作用的研究方法,采用膜电位敏感荧光探针Di-8-ANEPPS标记细胞膜表面,荧光强度的强弱反映了细胞膜电位的变化,当细胞被极化时膜电位增加,膜表面Di-8-ANEPPS荧光强度增强;反之,Di-8-ANEPPS荧光强度降低,膜电位降低。通过荧光显微镜观察Di-8-ANEPPS标记的细胞膜荧光强度的变化,可以有效、连续测定细胞的膜电位变化。这种方法最大的特点在于:对被测细胞没有损伤,实现无损、精确测量,快捷、动态地反应出细胞膜随环境变化引起的膜电位极化变化趋势,可以有效反映出微囊泡与细胞相互作用引起细胞结构与生理变化。课题通过研究超小双亲分子的有序自组装,分析超小双亲分子有序组装体的形成及自组装调控进程,确定合理的自组装条件,从生物物理化学角度探讨超小双亲分子自组装机制,有助于构建多种尺度和形貌的超小双亲分子有序自组装体。对于超小双亲分子囊泡聚集现象及其内在机制的探索将有助于加深人们对相关生命过程的理解和认识。从简单的模型膜入手,试图揭示与生物膜功能相对应的物理和化学规律,这将有利于我们对超小双亲分子的有序自组装链长效应与环境调控机制的深入理解,尤其是对这类超小双亲分子组装体的形成规律及条件机制的科学研究,有利于其在食品营养吸收、药物载体系、生物医药等领域的广泛应用提供科学理论依据和研究价值。