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为解决量化生物膜纳米级粘弹性行为的难题，研究人员开展基于原子力显微镜（AFM）结合快速纳米致动器映射未标记支撑膜粘弹性响应的研究。结果表明该方法可量化脂质分子流动性变化，发现生物膜中扩散高度局部化，这有助于深入理解生物膜功能。
在微观的细胞世界里，生物膜就像一座功能强大且精密的 “城市围墙”，它不仅将细胞与外界环境隔开，还精心规划着细胞内的 “区域”，为各种生命活动提供关键支持。脂质作为生物膜的重要组成部分，可不是一群 “安静的旁观者”，它们积极参与细胞内的众多关键过程，比如调节膜蛋白的功能和折叠，负责脂肪和胆固醇在体内的运输与储存，还为离子和质子搭建 “通道”。
然而，想要深入了解生物膜在纳米尺度下的奥秘并非易事。当前的显微镜技术虽然能获取标记分子的高分辨率结构信息，但要精确测量生物膜相关的粘弹性行为，实现纳米级别的精度，仍是一个巨大的挑战。以往的研究大多依赖于在较大膜面积上进行平均测量，得到的分子迁移率数据不够精细。像荧光漂白恢复技术（FRAP）和荧光相关光谱技术（FCS），它们追踪的是荧光染料在相对较大区域内的平均运动，只能提供一个较为宏观、间接的分子运动图像。单分子光学技术虽有较高的空间分辨率，但依赖荧光标记，且存在时间限制，荧光染料还可能影响测量结果。此外，传统研究中使用单一扩散系数来描述分子运动，这与细胞膜拥挤环境中常见的非布朗（异常）扩散情况并不相符。在这样的背景下，为了更深入地探究生物膜的奥秘，英国杜兰大学（Durham University）的研究人员威廉?特里比（William Trewby）、马赫迪?塔瓦科尔（Mahdi Tavakol）和基斯隆?沃伊乔夫斯基（Kislon Vo?tchovsky）开展了一项重要研究。
研究人员将原子力显微镜（AFM）与定制的快速面内致动器相结合，开发出一种全新的方法，用于绘制未标记支撑膜的粘弹性响应，实现了纳米级的空间分辨率。这种方法能够有效追踪流体膜内分子的动力学，在保持传统 AFM 测量空间分辨率的同时，跨越三个数量级的速度范围进行观测。通过分子动力学（MD）模拟，研究人员进一步验证了实验方法的有效性，并揭示了膜与相邻水层中分子迁移之间的相互作用。
在对三元模型双层膜的研究中，研究人员发现局部扩散在约 20nm 的距离内存在空间相关性，且这种相关性在不同的脂质相（如液相有序相Lo和液相无序相LD）中表现不同。在天然牛晶状体膜的研究中，该技术展现出了强大的功能。牛晶状体膜含有高胆固醇，且存在具有异质动态行为的区域。研究发现，在这些膜的不同区域，局部扩散系数在 150nm 内变化超过一个数量级，在小至 20nm 的距离内也有明显变化。这一结果表明，膜内存在短程分子梯度，这些梯度可以调节局部膜的生物物理性质，控制蛋白质的自组装过程。
该研究成果发表在《Nature Communications》上，为深入理解生物膜的功能提供了重要依据，有助于揭示生物膜在细胞生理过程中的作用机制，对生命科学领域的发展具有重要意义。
在这项研究中，研究人员主要运用了以下关键技术方法：一是构建纳米流变装置，将低电压剪切压电致动器等部件组装成适用于 AFM 的装置；二是样本制备，包括制备纯化的支撑脂质双层膜和牛眼晶状体膜片段；三是 AFM 测量，运用不同的测量模式获取数据；四是 MD 模拟，使用 MARTINI 力场进行模拟实验。
下面来详细了解一下研究结果：
- 技术原理：研究人员将 AFM 改造为纳米流变仪，通过对样品施加小的横向剪切振荡（<7nm），利用针尖探测分子的粘弹性行为。通过改变剪切振幅A5或频率fs来系统地改变剪切速度，研究发现剪切力随A5和fs增加而增加，相位则包含了界面水和脂质的混合信息。在对 1,2 - 二油酰基 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸胆碱（DOPC）膜的测量中，低频（1kHz）时剪切力为 0，高频（50kHz）时可测量到剪切力和相位滞后。
- MD 模拟：MD 模拟显示，在低法向力（FN≈33pN）时，界面水层在针尖和膜之间起到润滑作用，限制了剪切力；当FN增加到≈150pN 以上时，针尖与膜接触，剪切力迅速增加，此时测量主要受脂质行为主导。模拟还表明，水在生物界面动力学和交换中起着重要作用。
- 定量模型：实验和模拟均表明，剪切力与剪切速度呈线性关系。基于此，研究人员结合爱因斯坦关系和埃文斯 - 萨克曼模型，得出了可直接从实验观测值计算脂质局部扩散系数的公式D=kBTAlipid2πRtipΔh2FSfSAS。对 DOPC 膜的测量验证了该方法的可靠性，得到的扩散系数与文献值相符。
- 三元模型膜应用：在含有鞘磷脂（SM）、DOPC 和胆固醇的三元脂质混合物模型膜上，研究人员发现Lo区域的扩散系数低于LD区域。通过统计分析，证实了膜内局部扩散存在空间相关性，且Lo区域的相关性更强。
- 天然牛眼晶状体膜测量：对天然牛眼晶状体膜的测量发现，不同区域的局部扩散系数变化显著。在富含蛋白质的区域，由于蛋白质的存在，扩散系数会进一步降低。这一结果支持了膜内短程分子梯度调节局部膜性质和控制蛋白质自组装的观点。
研究结论和讨论部分指出，该研究开发的方法能够以纳米级空间分辨率量化支撑膜的面内分子迁移率，有效克服了传统 AFM 在时间分辨率上的限制。这种方法具有诸多优势，如能原位、局部、纳米级地测量，无需对样品进行标记，可提供界面的完整粘弹性信息。但它也存在一些局限性，比如需要物理接触样品，对样品的流动性、模型的适用性等有一定要求。不过，该技术在复杂生物膜研究中展现出了巨大潜力，能够量化脂质扩散的局部变化，揭示纳米级的相关效应，为研究生物膜功能提供了有力的工具。未来，随着技术的不断发展和完善，有望在生命科学领域取得更多重要突破，为深入理解细胞生理过程和相关疾病机制提供更坚实的理论基础。
