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    最近，在國家自然科學(xué)基金和科技部“973”項目的資助下，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國家實驗室和物理學(xué)院教授、蘇州大學(xué)軟凝聚態(tài)物理及交叉研究中心教授馬余強課題組，在軟凝聚態(tài)和生物物理交叉領(lǐng)域取得了系列重要進展，其中兩項成果分別刊登在最近出版的美國《國家科學(xué)院院刊》（PNAS）和《自然—納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。

    發(fā)表在美國《國家科學(xué)院院刊》上的論文題目為《理解植物細胞皮層微管自組織的相行為》，作者是南京大學(xué)物理學(xué)院2007級博士生施夏清和導(dǎo)師馬余強。

    據(jù)馬余強介紹，植物細胞皮層微管陣列是一種獨特的細胞骨架結(jié)構(gòu)。與動物細胞不同的是，植物細胞骨架沒有中心體。在細胞分裂間期，微管分布在液泡和植物細胞質(zhì)膜之間的細胞質(zhì)殼層中。1962年，Paul Green就推測在植物細胞皮層存在高度各向異性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。1963年，Ledbetter和Porter在植物細胞質(zhì)膜下觀察到平行排列的環(huán)紋狀結(jié)構(gòu)，并將這種獨特的纖維狀物質(zhì)命名為“微管”。“這種環(huán)紋狀結(jié)構(gòu)就是植物細胞皮層微管陣列，它在植物細胞形態(tài)發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用”。2003年，通過熒光顯微技術(shù)，Sidney L.Shaw等人觀察到微管在質(zhì)膜上的“踏車”（treadmilling）運動。2004年，Ram Dixit和Richard Cyr進一步發(fā)現(xiàn)，“踏車”運動導(dǎo)致微管之間相互碰撞，并可能誘發(fā)微管的自發(fā)有序化。這些發(fā)現(xiàn)引發(fā)了微管有序化方面的理論探討。特別有意義的一個挑戰(zhàn)是，在沒有中心體的情況下，細胞分裂周期中不同時期的微管組織形態(tài)是如何形成和調(diào)控的。

    該研究從理論和模擬兩方面深入探討了存在聚合—解聚反應(yīng)的微管系統(tǒng)中發(fā)生有序和無序轉(zhuǎn)變的調(diào)控機制。研究發(fā)現(xiàn)，在這樣的系統(tǒng)中，聚合反應(yīng)往往和微管間的相互作用發(fā)生耦合，從而實現(xiàn)新穎的有序—無序轉(zhuǎn)變機制。通過調(diào)控微管的聚合—解聚速率往往就能實現(xiàn)向列相有序—無序的轉(zhuǎn)變。不僅如此，通過改變微管的其他動力學(xué)參數(shù)，比如成核速率、災(zāi)變速率，也能促發(fā)形態(tài)的有序—無序轉(zhuǎn)變。作者通過建立理論模型，結(jié)合大規(guī)模的數(shù)值計算和模擬，得到了系統(tǒng)的相圖，并揭示了相圖各區(qū)域的相轉(zhuǎn)變特性。相圖揭示了系統(tǒng)存在兩種不同的向列相有序態(tài)。這些有序態(tài)和無序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，可以通過連續(xù)或不連續(xù)相變完成。轉(zhuǎn)變特性取決于系統(tǒng)的動力學(xué)參數(shù)。這些研究結(jié)果不僅印證了實驗上關(guān)于皮層微管陣列有序化機制的猜測，同時也有助于生物學(xué)家進一步理解微管出現(xiàn)自發(fā)有序的微觀調(diào)控機制。

    題為《形狀不同納米粒子入侵細胞膜的計算機模擬研究》的論文發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》8月刊上。作者是南京大學(xué)物理學(xué)院2006級博士生楊愷和導(dǎo)師馬余強。

    對于生物技術(shù)的發(fā)展而言，納米粒子可謂是一把雙刃劍。一方面，納米粒子能突破細胞膜的保護，將基因、蛋白、藥物或其他有用的分子輸送到細胞的內(nèi)部，因此被認(rèn)為是一種極有應(yīng)用前景的基因和藥物輸運載體或生物顯影劑，有望使人類對于疾病的治療和診斷達到細胞甚至亞細胞的水平。但另一方面，納米粒子卻有著極大的細胞毒性，因此會阻礙其廣泛應(yīng)用。要解決這一矛盾，最關(guān)鍵的一點是要深入理解納米粒子在穿膜過程中與細胞膜的相互作用機制。

    對這方面的研究，人們大多集中在對納米粒子表面的化學(xué)改性上，而對于粒子的物理性質(zhì)特別是粒子幾何形狀效應(yīng)，卻還被忽視。實際上，在自然界中許多涉及穿膜的細菌和蛋白，如李斯特菌和革蘭氏陰性細菌——沙門氏菌，都具有各向異性的形狀，而不是各向同性的球形物質(zhì)。因此，理解在穿膜過程中納米粒子幾何性質(zhì)對它們的相互作用影響，對進一步推動納米粒子在生物技術(shù)方面的應(yīng)用以及理解細胞膜相關(guān)現(xiàn)象的物理本質(zhì)極其重要。

    通過計算機模擬研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子的大小、形狀和表面化學(xué)性質(zhì)會強烈地影響粒子與細胞膜的相互作用，但它們之間的影響常常是耦合在一起的。馬余強和楊愷系統(tǒng)地研究了粒子形狀對穿膜的影響，發(fā)現(xiàn)粒子形狀的影響體現(xiàn)在粒子幾何性質(zhì)的各個方面：粒子形狀的各向異性程度和粒子相對于膜的初始取向，是其中最為關(guān)鍵的影響因素，它們決定了粒子穿膜能力的另外兩個重要因素——粒子與膜的接觸面積和粒子在接觸點處的局部曲率變化。而對于粒子的體積，在粒子的物理穿透過程中，卻并非一個直接的影響因素。更有意義的是，模擬還揭示了粒子在穿膜過程中會發(fā)生兩個相反的旋轉(zhuǎn)過程，而這些旋轉(zhuǎn)過程使得粒子幾何性質(zhì)的影響相互耦合，從而使粒子的穿透變得更為復(fù)雜。因此，如何利用不同粒子穿膜的旋轉(zhuǎn)動力學(xué)是設(shè)計納米粒子穿透能力的一個關(guān)鍵因素。

    他們研究認(rèn)為，如果能充分利用粒子的幾何性質(zhì)，有可能賦予納米粒子一些特殊功能。例如，它有可能極大地提高納米粒子的載藥能力，還有可能使得納米粒子具有對特殊細胞的靶向識別能力，從而降低對正常細胞的毒性。

    “因此，這些研究結(jié)果對今后高性能和低毒性納米尺度藥物輸運載體的設(shè)計和制備具有重要的指導(dǎo)意義。”有關(guān)專家表示。