光激活旋转马达嵌入脂质膜的理化过程解析：开启生物应用新征程

本文研究了 9 种基于烯烃的分子旋转马达嵌入合成脂质膜的行为。通过多种实验技术，从分子尺度表征其在膜中的定位、取向等，探究对膜性质的影响。该研究为合成分子机器在生物领域的应用提供了全面框架。

　　

引言

生命由多个独立组件的复杂相互作用产生，细胞内许多过程依赖于膜的动态变化。在构建细胞模拟系统时，脂质膜常被使用，而光可通过光响应分子转化为机械能，为系统提供可控能源。受生物马达启发，基于烯烃的分子旋转马达在生物应用中展现出潜力，如触发细胞机械敏感通道、促进药物递送等。本研究旨在开发实验工具，探究不同分子旋转马达与模型膜的相互作用，为其在生物膜相关研究中的应用提供支持。研究选用 9 种不同化学组成的烯烃基分子旋转马达（MM_{1 - 9}），以 1 - 棕榈酰 - 2 - 油酰 - sn - 甘油 - 3 - 磷酸胆碱（POPC）制备的小（约 100nm 直径）和大（约 20μm 直径）囊泡为模型膜系统。

结果与讨论

1. 分子马达和脂质系统描述：研究的 9 种光驱动旋转分子马达基于拥挤烯烃结构，具有相似核心结构但功能基团不同。MM₁为非功能化参考化合物，其他分子马达在此基础上进行不同修饰。研究选用 POPC 脂质膜，并添加 0.1mol% 的脂质共轭染料 Atto655 - DOPE 用于荧光成像。研究重点关注第二代分子马达，因其在可见光谱驱动和旋转动力学方面适合生物应用。
2. 分子马达嵌入脂质膜的摄取分析：大多数有机芳香化合物因疏水性可嵌入脂质膜，但化学结构差异会影响嵌入效率。通过摇瓶法测定分子马达的分配系数（logP_O/W），发现其与摄取效率相关。如 MM₇和 MM₉ logP_O/W值低、偶极矩大，摄取效率也低；而 MM₂ lipophilicity 最高，摄取效率达 96%。这表明在将分子马达嵌入脂质膜时，需关注其极性和水溶性基团。
3. 分子马达在脂质膜内的取向研究：为探究分子马达结构差异对其与脂质膜相互作用的影响，研究通过对含分子马达的小单层囊泡（SUVs）施加剪切流，利用线性二色性（LD）测量分子在膜内的取向。结果发现，除 MM₇和 MM₉外，其他分子马达的电子跃迁偶极矩平行于膜法线，而 MM₇和 MM₉垂直于膜法线。这表明含长链功能基团的极性化合物会使分子马达在脂质双层中采取跨膜结构构象，且垂直于膜法线取向的分子马达在细菌膜中具有更高抗菌活性，对其与离子通道和 scramblases 结合的应用具有重要意义。
4. 分子马达在脂质膜内的聚集状态：研究记录了 MM_{1 - 9}在不同溶剂和脂质膜中的吸收光谱，发现从溶液到自组装环境，吸收峰发生红移，表明分子间 π - π 堆积相互作用增强。随着分子马达在 POPC 膜中浓度增加，除 MM₃呈现蓝移（形成 H 聚集体）外，其他分子马达均呈现红移，形成 J 聚集体。不同分子马达聚集体的光谱位移和指数生长速率不同，如 MM₄光谱位移大、生长快，MM₉则相反，MM₃聚集慢且相互作用弱。
5. 分子马达掺入对脂质膜张力的影响：分子马达在膜中的取向和聚集状态会影响膜的有序性和机械性能。研究使用溶剂变色荧光膜张力探针 Flipper - TR（Flipper）检测膜张力变化，发现不同分子马达对膜张力影响不同。如 MM₁、MM₅、MM₈和 MM₉使膜张力增加，而 MM₂、MM₃、MM₄和 MM₇使膜张力降低。MM₅使膜有序性增加最多，MM₇使膜张力降低最多。同时，H/J 聚集可能导致荧光团猝灭，影响膜性质的准确评估。
6. 分子马达掺入对脂质膜流动性的影响：膜流动性对膜相互作用和重塑动力学至关重要。研究利用荧光相关光谱（FCS）结合 Z - scan FCS 方法，分析脂质共轭染料 A655 - DOPE 在含分子马达的 POPC 膜中的扩散系数，以研究分子马达对膜流动性的影响。结果发现，除 MM₃外，其他分子马达均使膜流动性降低，这可能与 MM₃形成 H 聚集体，而其他分子马达形成 J 聚集体有关。此外，环境传感荧光探针受分子马达光物理性质影响，表明分子马达可根据结构改变脂质膜粘度。
7. 脂质环境和分子马达旋转周期：光化学异构化步骤：研究探究了脂质环境对 MM_{1 - 9}旋转周期的影响。通过¹H - NMR 和 UV - vis 光谱研究发现，分子马达在不同环境中的光异构化量子产率（QYs）不同。极性高的分子马达（MM₇和 MM₉）在极性较低环境中 QY 降低，而其他分子马达略有增加。在脂质自组装系统中，所有分子马达 QY 均降低，这与系统在膜内的聚集状态和膜流动性有关。MM₃是唯一在不同脂质环境中 QY 不受影响的分子马达，且其增加了脂质膜的流动性并形成弱 H 聚集体。部分分子马达在新条件下应用时，需准确表征旋转动力学以避免结果误判。
8. 脂质环境和分子马达旋转周期：THI 步骤：研究关注分子马达旋转周期中的热螺旋反转（THI）步骤，通过热力学研究测定该过程的动力学参数。发现垂直于脂质尾取向的分子马达（MM₇和 MM₉）活化能垒增加、旋转速度减慢，且在热力学步骤中熵变为正；而在脂质环境中优先垂直排列的分子马达活化能垒降低、旋转速度加快。这些结果与分子马达在膜系统中的取向相关，可能影响 THI 过程中的分子间相互作用，后续需进一步研究生物系统中的热力学参数及其相互作用。
9. 分子马达对膜重塑的作用：波动反应时间：利用荧光显微镜对含分子马达的巨型单层囊泡（GUVs）进行原位照射，观察膜的波动情况。结果发现，不同分子马达对膜重塑的影响不同，MM₃和 MM₄几乎无可见影响，MM₅影响较小，而 MM₁、MM₆和 MM₉反应时间快且均匀，MM₂、MM₇和 MM₈反应时间分布较宽。膜变形能力与分子马达的取向、旋转速度和光异构化量子产率无关。
10. 分子马达作用引发的脂质膜面积扩张：为更详细了解分子马达对膜的影响，通过在电场中拉伸 GUVs 测量其表面积变化。施加交流电（AC）电场使 GUVs 呈扁长形，照射分子马达后根据其长轴和短轴几何变化计算面积变化。结果发现，不同分子马达导致的膜变形不同，MM₃和 MM₄在电场照射下面积调制可忽略，MM₅诱导正自发曲率，MM₁和 MM₆曲率变化不均，MM₂、MM₇、MM₈和 MM₉诱导负自发曲率。MM₉虽使膜流动性降低 2 倍，但引发 GUVs 形状变形最快。此外，通过实验证实膜面积扩张不是由光氧化引起，而是分子马达在膜内的机械旋转和构象变化导致。

结论

本研究系统探究了 9 种光驱动旋转分子马达作为光响应膜插入剂在生物应用中的潜力。研究发现化合物极性和化学结构对其在脂质膜中的组织方式有显著影响，进而影响脂质双层的生物物理性质，如膜流动性和张力。分子马达的超分子组织与其在膜环境中的旋转性能密切相关，膜流动性变化与光异构化量子产率相关，分子马达的取向影响其旋转速度。此外，研究还揭示了分子马达作用下光诱导的膜变形与化学结构有关，会导致膜自发曲率变化。本研究为分子马达在生物系统中的应用提供了清晰路径，强调了在复杂生物环境中全面表征分子系统的重要性。