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在细胞生物学和生物物理学领域，膜管形成机制有待明晰，尤其是糖萼（glycocalyx）的作用。研究人员结合聚合物物理理论和 Canham - Helfrich 膜理论展开研究，发现糖萼可诱导膜管形成，且存在关键密度和长度值，该成果有助于理解糖萼对膜管形成的影响。
在细胞的微观世界里，管状膜结构就像一条条繁忙的 “运输通道”，广泛存在于细胞膜和细胞内细胞器的膜上，比如内质网、高尔基体以及线粒体的内膜等。这些管状结构在众多生命活动中发挥着关键作用，从物质运输到离子转运，再到细胞的运动，都离不开它们的参与。然而，尽管科学家们已经知道通过一些实验手段，如流体动力学流动、微吸管抽吸等可以在体外制造出膜管，也了解到细胞内细胞骨架、蛋白质等会对膜管形成产生影响，但对于细胞表面富含糖类的糖萼（glycocalyx）如何诱导膜管形成，相关的研究还十分有限。从理论层面来看，虽然基于 Canham - Helfrich 理论的弹性连续体模型常被用于研究膜管形成，也有一些研究探索了聚合物对膜形状的影响，但能明确描述糖萼诱导膜管形成潜在机制的理论框架仍然缺失。为了填补这一空白，来自美国加利福尼亚大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的研究人员 Ke Xiao 和 Padmini Rangamani 开展了深入研究。他们构建了一个结合聚合物物理理论和 Canham - Helfrich 膜理论的生物物理模型，全面探究糖萼是如何在细胞膜上生成圆柱形管状突起的。研究结果表明，糖萼自身就具备诱导管状膜结构形成的能力，并且这种管形成涉及一阶形状转变，无需外部施加力或其他诱导曲率的机制。同时，研究还发现存在糖萼接枝密度和糖聚合物长度的临界值，只有达到这些临界值，才能够诱导管状结构的形成。此外，垂直肌动蛋白（actin）力、线张力和自发曲率的存在会降低触发膜管形成所需的临界接枝密度和聚合物长度，这意味着这些因素与糖萼协同作用，能让膜管形成在能量上更为有利。该研究成果发表在《Biophysical Journal》上，为理解膜曲率产生的生物物理原理提供了更深入的见解，也对阐释与糖萼相关的生物学现象具有重要意义。
在研究过程中，研究人员采用了多种关键技术方法。首先，他们构建了糖萼 - 膜复合体系的生物物理模型，将糖萼视为覆盖在细胞膜表面的一层聚合物，独立考虑脂质双层和聚合物层的能量贡献，并通过最小化系统的总能量来探究膜管形成机制。其次，运用数值计算方法，在设定一系列参数值的基础上，计算不同形状参数下系统的总自由能，从而确定平衡几何形状，以分析糖萼、膜和肌动蛋白力等因素对膜管形成的影响。
研究结果具体如下：
- 糖萼对膜管形成的影响：通过分析不同糖萼接枝密度和长度下的总能量，发现当糖聚合物接枝密度小于临界值时，管形成在能量上不利；随着接枝密度增加，会出现两种局部最小能量状态，分别对应非管状和管状状态；当接枝密度大于临界值时，系统会从非管状状态转变为管状状态。同样，增加糖聚合物长度也能引发从非管状到管状的状态转变，这表明糖聚合物长度对膜管形成也有重要影响。
- 从非管状到管状状态的不连续转变：研究聚焦于稳定状态对应的形状参数，发现糖萼单独就能诱导细胞膜形成稳定的管状形态，且这种转变存在不连续的特性，在临界值处最优形状参数会发生急剧跳跃。同时，线张力、自发曲率和肌动蛋白力的存在会改变触发这种转变的阈值，使临界值降低，并且有利于生成更长更细的膜管。
- 糖萼诱导管状形成的相图：为系统研究糖聚合物密度和长度对膜形状的相互影响，研究人员绘制了相图。相图显示存在非管状和管状两种状态区域，通过调整糖萼的接枝密度和长度可以触发从非管状到管状状态的不连续转变。而且，肌动蛋白力、线张力和自发曲率的加入会拓宽管状区域，降低诱导管形成的阈值，促进管的形成。此外，研究还发现较低的膜弯曲刚度和张力条件下更容易实现管形成。
研究结论和讨论部分指出，糖萼在膜管形成中起着重要作用，其诱导膜管形成需要达到接枝密度和聚合物长度的临界值，而线张力、自发曲率和肌动蛋白力能够进一步促进膜管形成。这种非管状到管状的转变背后的物理机制源于糖萼能量、弹性能量（包括弯曲能量和张力能量）以及垂直肌动蛋白力所做的功之间的竞争。糖萼的存在为膜管形成提供了一种不同于以往认知的生物物理条件，其产生的熵弯曲力在弯曲膜结构形成中至关重要。此外，糖萼不仅在膜管形成中发挥作用，还与细胞的多种生理功能密切相关，如在呼吸病毒感染、癌症发展以及维持血脑屏障（BBB）等生理过程中都具有重要意义。该研究成果为深入理解糖萼在调节膜形状中的作用提供了理论依据，有助于进一步探究在各种生物物理条件下膜管的形成机制，为后续的生物学和医学研究奠定了坚实基础。
