相分离的等离子体膜表现出液态有序区域的粘度升高和表面张力降低的现象

《Journal of Colloid and Interface Science》：Phase-separated plasma membranes show elevated viscosity and reduced line tension of liquid-ordered domains

表面粘度和线张力是调控脂质域动态行为的关键参数。本研究通过制备孔径 spanning 膜（PSMs）和等离子膜（PSPMs），发现天然等离子膜的表面粘度为人工膜的3倍（6.1 vs 2.09 nPa·m·s），而线张力仅为人工膜的1/3（0.61 vs 1.71 pN）。这种高粘度和低线张力的组合可能通过限制脂质域扩散并降低边界恢复力，促进动态稳定的功能性膜平台形成。

　　生物膜的动态异质性是细胞功能调控的重要组成部分，其表面粘度和线张力在决定脂质域的行为和功能中起着关键作用。在细胞膜中，这些参数对于维持膜结构、控制分子扩散以及支持信号传递和细胞活动具有深远的影响。然而，传统的模型膜系统，如合成的脂质双分子层或支撑膜，往往无法准确反映真实细胞膜的复杂性。因此，研究团队开发了一种新的实验系统，即通过微孔硅芯片生成的贯穿孔膜（Pore-Spanning Membranes, PSMs）和贯穿孔血浆膜（Pore-Spanning Plasma Membranes, PSPMs），以直接量化和比较这些关键参数。

### 实验方法与系统构建

PSMs和PSPMs的构建基于微孔硅芯片的结构特点。通过在微孔硅表面施加特定的处理条件，研究人员成功地将巨单层囊泡（Giant Unilamellar Vesicles, GUVs）和巨血浆膜囊泡（Giant Plasma Membrane Vesicles, GPMVs）扩散到微孔中，从而形成具有自由空间的膜区域。PSMs由合成脂质组成，而PSPMs则来源于细胞膜，保留了天然膜的复杂成分。这种方法避免了传统模型膜系统中由于膜结构限制或成分单一而导致的偏差，使得对膜物理特性进行更精确的测量成为可能。

为了观察这些膜结构中的动态变化，研究团队采用了高分辨率的荧光显微镜技术。在实验过程中，通过荧光标记的脂质（如TexasRed-DHPE）和荧光蛋白（如R18）对膜区域进行染色，能够清晰地识别出液有序（l_o）和液无序（l_d）域。时间序列的荧光成像不仅揭示了膜结构在室温下的相分离现象，还允许研究人员追踪这些域的扩散行为。研究发现，液有序域在自由膜区域中表现出受限的扩散特性，其运动范围被微孔结构所限制，但仍然保持一定的流动性。

### 表面粘度与线张力的测定

在PSMs和PSPMs中，研究人员利用荧光成像数据对膜表面粘度和线张力进行了定量分析。对于表面粘度的测定，研究团队采用了一种基于二维受限扩散的分析方法，通过计算液有序域的平均平方位移（Mean Squared Displacement, MSD）并将其与域大小相关联，最终提取出膜表面粘度的值。实验结果表明，天然血浆膜（PSPMs）的表面粘度显著高于合成膜（PSMs），达到了三倍的差异。这一发现暗示了天然膜的复杂成分，如膜蛋白和脂质的多样性，对膜物理特性的显著影响。

对于线张力的测定，研究团队基于毛细波理论（Capillary Wave Theory）对液有序域的边界波动进行了分析。通过将域的轮廓转换为极坐标，并进行傅里叶变换，研究人员能够识别出不同波动模式下的能量分布。进一步分析这些模式的功率谱，可以推导出线张力的值。结果显示，PSPMs的线张力比PSMs低三倍，这一结果与天然膜中较低的边界张力和较高的成分复杂性相一致。线张力的降低可能有助于维持膜结构的稳定性，同时允许更小的液有序域在膜中形成并长期存在。

### 研究意义与生物功能

膜表面粘度和线张力的差异对细胞膜的功能具有重要影响。较高的粘度可以限制蛋白质的横向扩散，从而调控细胞内的信号传导、膜成分的运输以及膜重塑等过程。这种限制作用可能有助于形成稳定的信号平台，使细胞能够更有效地进行分子识别和信号传递。此外，较高的粘度还能在膜曲率形成过程中起到稳定作用，如内吞作用和外排作用等。而较低的线张力则有助于减少膜域之间的能量消耗，从而促进膜域的稳定存在，同时降低其融合的可能性。

研究团队还指出，PSPMs由于来源于细胞膜，能够保留细胞膜的天然结构和成分，这使得它们成为研究膜物理特性及其与细胞功能关系的理想模型。相比传统的合成膜系统，PSPMs在成分复杂性和动态行为方面更为接近真实细胞膜，从而为研究膜域在细胞内的行为提供了更可靠的实验基础。通过这种模型，研究人员能够更深入地理解膜域如何在不同生理条件下动态变化，并如何影响细胞的整体功能。

### 未来研究方向

这一研究不仅揭示了天然血浆膜与合成膜在物理特性上的差异，还为未来探索膜域在细胞活动中的作用提供了新的工具。由于PSPMs可以来源于基因工程改造的细胞，研究人员可以进一步研究特定膜蛋白对膜域行为的影响，以及这些蛋白如何调节线张力和表面粘度。此外，通过调整膜成分或引入不同的物理条件，还可以探索膜物理特性如何影响细胞膜的动态行为和功能表现。

研究团队强调，这些发现为理解细胞膜的动态异质性和其在生理和病理条件下的变化提供了新的视角。例如，在动脉粥样硬化和阿尔茨海默病等疾病中，膜异质性的变化可能与疾病的发生和发展密切相关。通过更精确地测量膜表面粘度和线张力，研究人员可以更好地揭示这些变化的机制，并为开发新的治疗策略提供理论依据。

总之，这项研究利用先进的实验技术，成功构建了能够反映细胞膜复杂性的模型系统，并通过定量分析揭示了天然膜与合成膜在物理特性上的显著差异。这些发现不仅有助于理解细胞膜的动态行为，还为未来的生物医学研究提供了新的工具和方法。