瘪陷且粘附的脂质囊泡的动态形状调制

《Journal of the American Chemical Society》：Dynamic Shape Modulation of Deflated and Adhered Lipid Vesicles

脂质膜边界囊泡通过渗透压调控形成低缩减体积（ν≈0.1）的扁平形态，结合Canham-Helfrich模型分析发现形状 flattening速率由归一化吸附强度（ω·R?2/κ）控制，并建立基于尺寸、曲率刚性和体积的吸附强度预测公式。

　　在细胞生物学中，脂质膜包裹的细胞器常常呈现出复杂的形态，其特征是空间上变化的曲率和相对较大的膜表面积与内部体积的比率（即低“归一化体积”）。这些结构被认为在蛋白质分选和囊泡运输中发挥着关键作用，但要复制这些形态在体外环境中的挑战性却非常高。本文研究了一种新的方法，利用弱吸附的巨型单层囊泡（GUVs）通过渗透压作用实现归一化体积的大幅减小，从而能够稳定地模拟类似细胞器的扁平结构，如高尔基体囊泡和内质网（ER）片状结构。

研究团队开发了一种扩散室，通过在显微镜载玻片上形成一个支持性脂质双分子层（SLB），为GUVs提供了稳定的吸附表面。通过逐步增加外部渗透压，GUVs在保持膜表面积不变的前提下，逐渐被压扁至归一化体积（ν）低于0.1。这个方法成功地避免了传统方法中由于突然的高渗透压导致的形状不稳定性，如珠链、管状结构或囊泡形成。研究还发现，当归一化体积达到0.1时，GUVs的形态能够稳定地转变为类似于细胞器的扁平形状。

为了量化GUVs的形态变化，研究团队使用了Canham-Helfrich模型，该模型能够描述脂质膜形状的变化，通过最小化弯曲能量，同时满足膜表面积和体积的约束条件。研究结果显示，GUVs在归一化体积减小过程中，其形状的变化速率与归一化吸附强度密切相关，该强度结合了囊泡的尺寸、吸附能量以及膜的弯曲刚度。在高度扁平的囊泡中，归一化吸附强度可以通过囊泡的长宽比、尺寸和弯曲刚度进行估算，这为研究膜形态形成机制提供了定量实验平台。

通过分析不同PEG浓度下的GUVs形态变化，研究团队发现，随着PEG浓度的增加，吸附强度也相应增加，从而在相同的归一化体积下，囊泡更容易保持扁平状态。在低PEG浓度下，GUVs的形态更为动态，可能会在归一化体积较低时与膜分离，形成双凹的囊泡。这种行为表明，PEG浓度的微小变化可以显著影响GUVs的形态和稳定性。此外，研究还表明，对于高度扁平的囊泡，其形态变化与归一化体积之间存在一个预测关系，该关系允许通过几何参数（如长宽比、尺寸和弯曲刚度）来估算吸附强度，而无需复杂的数值拟合过程。

在膜力学参数的提取方面，研究团队利用了轴对称形状的假设，并通过对比实验观察与数值计算结果，提取了包括吸附强度、膜张力和囊泡内部与外部压力差在内的关键参数。这些参数的提取不仅依赖于GUVs的形态变化，还受到膜弯曲刚度的影响。对于高度扁平的囊泡，膜张力和吸附强度之间的关系遵循一种类似于Young-Laplace方程的形式，该方程描述了膜张力与曲率之间的关系。此外，研究团队还探讨了膜组成差异对形状和力学特性的影响，发现膜组成的变化可能会引入自发曲率，从而影响形状的稳定性。但他们的实验结果显示，在所使用的条件下，自发曲率的影响可以忽略不计，因此可以通过零自发曲率假设来提取吸附强度等参数。

在进一步分析高度扁平囊泡的形态时，研究团队发现，随着归一化体积的减小，囊泡的边缘曲率逐渐增加，但这种变化并不显著受到吸附强度的影响。他们还发现，对于高度扁平的囊泡，其边缘曲率与膜的弯曲刚度之间存在一种几何关系，该关系可以用来估算吸附强度。这一发现为研究膜形态的形成机制提供了新的思路，同时也为开发基于膜形态的新型实验平台奠定了基础。

研究还揭示了在高度扁平的囊泡中，膜的张力和吸附强度之间的关系。对于具有高张力的膜，吸附强度在很大程度上决定了囊泡的形态变化。在低吸附强度的情况下，囊泡的形态更加灵活，能够适应更广泛的归一化体积变化。这种关系对于理解膜形态在细胞内的调控机制具有重要意义。

在研究过程中，研究团队还观察到，当囊泡被压扁至非常低的归一化体积时，其边缘曲率可能会显著降低，这表明膜的弯曲刚度在形态调控中起着重要作用。此外，他们发现，随着归一化体积的进一步减小，囊泡的边缘可能会变得更加紧密，从而影响膜的稳定性。这些观察结果表明，在研究膜形态时，需要综合考虑多种因素，包括吸附强度、膜张力和弯曲刚度。

最后，研究团队讨论了他们的方法在未来的应用潜力。他们认为，这种方法不仅可以用于研究膜形态的形成机制，还可以用于探索膜组成如何影响形态变化和力学特性。此外，这种方法还可以扩展到其他系统，如通过膜结合的生物分子凝聚体介导的吸附，或者在其他膜形态调控技术（如油醇辅助脂质囊泡组装）中进行应用。这为开发新的实验方法和理论模型提供了重要的参考。

总的来说，这项研究通过开发一种新的方法，成功地模拟了类似细胞器的膜形态，并揭示了膜形态变化与吸附强度、膜张力和弯曲刚度之间的关系。这些发现不仅有助于理解细胞内膜结构的形成机制，还为开发新的实验平台和理论模型提供了重要的基础。