相分离凝聚体与生物膜界面相互作用的跨尺度机制研究：实验与模拟的整合视角

《Communications Chemistry》：Insights into de-mixing and morphology modulation in coacervate-membrane interactions from integrating experiments and simulations

本研究通过整合荧光显微成像与多尺度分子模拟，揭示了多肽共凝聚体(K10/D10)与脂质膜相互作用的分子机制。研究发现膜电荷密度可调控本征接触角(θin)，诱导局部脂质分选与流动性降低（扩散系数下降1.7倍），并通过LAURDAN光谱phasor分析证实界面脂质堆积密度增加。该工作为理解生物凝聚体介导的膜重塑与信号转导提供了定量框架。

　　

在细胞这个精密运转的微观世界里，生物分子如何通过自发聚集形成无膜细胞器（又称生物分子凝聚体）来执行特定功能，是近年来生命科学领域最令人着迷的发现之一。这些由液液相分离（Liquid-Liquid Phase Separation, LLPS）形成的动态结构，如应激颗粒和核仁，能够富集特定蛋白质和核酸，在基因调控、应激响应和信号传导中扮演着关键角色。然而，当这些充满生物大分子的液滴与细胞的“边界”——脂质膜相遇时，会发生怎样的故事？它们会像水珠在荷叶上一样滚落，还是会像油漆般铺展？更重要的是，这种相互作用如何影响膜本身的物理化学性质，进而影响细胞的生理功能？这些问题的答案，对于理解细胞区室化、膜运输乃至神经退行性疾病中蛋白异常聚集与膜相互作用都至关重要。

尽管前期研究已证实生物凝聚体与膜相互作用能诱导膜形态变化，但对其分子机制、界面性质调控以及跨尺度结构动态演变的理解仍存在大量空白。传统研究多依赖于单一实验或模拟手段，难以捕捉从分子到微米尺度的连续变化过程。正是为了突破这一瓶颈，由波士顿大学和马克斯·普朗克胶体与界面研究所联合开展的研究，通过创新性地整合高时空分辨率的实验观测与多尺度计算模拟，对多肽共凝聚体与模型膜的相互作用进行了系统解析。这项发表于《Communications Chemistry》的工作，为我们揭开了生物凝聚体与膜界面相互作用的神秘面纱。

研究人员综合运用了多项关键技术：通过共聚焦显微镜和荧光恢复 after photobleaching (FRAP) 量化膜界面动力学；利用超光谱成像结合光谱phasor分析解析LAURDAN荧光探针的环境敏感性，表征脂质堆积密度；建立两种互补的粗粒化（Coarse-Grained, CG）分子动力学模型——通用Cooke脂质模型和显式溶剂的MARTINI 3力场，分别用于模拟长时程膜重塑过程和分子间相互作用细节；通过几何因子Φ和本征接触角θ_in定量表征界面亲和性。

膜润湿与多肽共凝聚体诱导的膜重塑

研究以多聚赖氨酸(K₁₀)/多聚天冬氨酸(D₁₀)共凝聚体为模型体系，发现通过调节膜电荷密度（DOPC/DOPS比例）和环境盐浓度，可实现从去润湿、部分润湿到完全润湿的转变。通用CG模型通过精确参数化（固定ε_pp=1.5，调节ε_PL和ω_TT）复现了实验观测的润湿行为。MARTINI模拟进一步揭示，凝聚体吸附会诱导膜负曲率生成和局部脂质分选——与凝聚体接触的膜叶中约50%的带负电DOPS脂质发生富集。

微纳尺度膜-凝聚体相互作用的量化

研究首次在纳米尺度验证了膜在接触区域的平滑弯曲特性，并通过微观接触角(θ_v, θ_e, θ_c)与几何因子Φ的换算，获得本征接触角θ_in这一材料性质参数。实验与模拟数据高度吻合：随着DOPS含量从0%增至20%，θ_in从完全去润湿（0°）过渡至部分润湿（约100°），证实膜-凝聚体亲和性可被精确调控。

接触区域膜动力学特性

FRAP实验表明，凝聚体覆盖区域的脂质扩散速度比裸露膜区域慢约1.7倍。通用CG模型通过计算脂质头基位移平方比，间接验证了扩散系数比值（D_bare/D_wet）在1.35（纯DOPC）至1.8（20% DOPS）之间，与实验观测一致。

膜堆积与脂质有序化

LAURDAN超光谱成像显示，接触区域荧光光谱发生蓝移，光谱phasor分析证实脂质堆积密度增加。CG模拟发现脂质尾链在界面处呈现取向有序化（纯DOPC体系除外），MARTINI模拟进一步通过单位脂质面积（Area Per Lipid, APL）分布证实：接触区域APL值左移，尤其在20% DOPS体系中出现显著低于0.5 nm2的群体，表明脂质压缩态形成。值得注意的是，尽管DOPS头部基团带负电且体积较大，其富集反而增强界面脂质有序性，说明凝聚体吸附主导了膜重组过程。

这项研究通过实验与模拟的深度互证，建立了从分子识别到宏观形态变化的完整认知链条：膜电荷通过调控本征接触角影响润湿行为；凝聚体吸附诱导脂质分选和尾链有序化，降低膜流动性；界面脂质压缩与脱水效应共同稳定了凝聚体-膜复合结构。该工作不仅为理解生物凝聚体介导的膜重塑（如内吞、管状结构形成）提供了定量模型，更揭示了相分离体系与膜系统耦合在信号转导中的潜在新机制——局部脂质分选与动力学调控可能形成跨膜信号传导的“分子开关”。此外，研究所建立的多尺度研究方法框架，为后续探索更复杂体系（如胆固醇修饰膜、多结构域蛋白凝聚体）的界面行为奠定了方法论基础。随着对生物凝聚体与膜相互作用机制的深入解析，人们有望在合成生物学（人工细胞器设计）和疾病治疗（病理蛋白-膜相互作用干预）等领域开辟新的研究方向。