基于液滴界面双分子层系统的压力调控膜张力技术定量评估水通道蛋白Z的水通透性

本研究针对传统水通透性测量方法无法精确控制膜张力的问题，开发了一种结合液滴界面双分子层（DIB）与内部压力测定技术的PDIB方法，首次实现了水通道蛋白Z（AqpZ）在定量膜张力（2.2–3.0 mN/m）条件下的功能分析。通过荧光显微技术可视化AqpZ分子并计算单通道通透性（pf≈7.2×10?13 cm3/s），揭示了汞抑制（IC50 340 μM）的浓度依赖性。该技术为研究膜机械特性调控水通道蛋白功能提供了新范式。

　　

细胞膜作为生命活动的关键屏障，其水通透性调控直接影响细胞体积稳态和渗透平衡。水通道蛋白（Aquaporins, AQPs）家族通过选择性运输水分子在这一过程中发挥核心作用，但传统测量技术如停流光散射法和平面脂质体系统存在样本需求量大、膜张力控制困难等局限。尤其值得注意的是，膜张力等机械特性可能直接调节AQPs功能，但缺乏定量研究手段。这一科学空白激发了研究人员开发创新方法的迫切需求。

为解决这一挑战，国内某研究机构团队在《Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes》发表了突破性研究。他们整合液滴界面双分子层（Droplet Interface Bilayer, DIB）系统与接触气泡双层（Contact Bubble Bilayer, CBB）技术，创建了压力定义型DIB（PDIB）方法。该方法通过微注射器压力监测和液滴形态分析，首次实现了水通透性测量与膜张力的同步定量，并将该技术成功应用于大肠杆菌水通道蛋白Z（AqpZ）的功能解析。

研究团队运用三项关键技术：1）PDIB系统构建，通过微米级液滴形成与压力校准实现膜张力（2.2–3.0 mN/m）量化；2）全内反射荧光显微镜（TIRF）对荧光标记的AqpZ C9A突变体进行单分子成像；3）基于Young-Laplace方程的几何参数计算体系，将液滴体积变化（精度达pL级）转化为水通量数据。

研究结果
3.1 液滴球形度验证
通过比较悬吊与沉降液滴的直径差异（69.9 vs 69.4 μm），证实W/O系统能维持液滴理想球形，为后续体积计算提供几何基础。

3.2 基础水通透性测定
大豆卵磷脂（Azolectin）双分子层显示出52 μm/s的渗透水通透系数（P_f），与文献报道值一致，验证了PDIB方法的可靠性。

3.3 AqpZ功能表征
AqpZ使P_f显著提升至124 μm/s（ΔP_f=72 μm/s），且呈现浓度依赖性饱和。汞抑制实验显示典型剂量效应曲线（IC₅₀=340 μM），1 mM HgCl₂可完全抑制活性，证实检测信号源自AqpZ特异性通道。

3.5 单分子成像
TIRF显微镜捕捉到AqpZ在琼脂糖固定双分子层中的离散荧光斑点，光漂白阶梯分析显示单染料分子对应10.4 AU信号强度，据此估算单位面积AqpZ密度，最终计算出单通道通透性p_f为7.2×10^?13 cm³/s。

这项研究的意义在于建立了首个能同步量化膜张力与水通透性的实验体系，突破了传统方法在机械特性控制方面的技术瓶颈。通过将物理参数测量（膜张力）与生物功能分析（AqpZ活性）有机结合，为理解细胞膜动态变化过程中水通道蛋白的调控机制提供了全新研究范式。特别值得注意的是，该方法仅需纳升级样本即可完成测量，在膜蛋白研究领域展现出显著的技术优势。未来通过扩展该技术至不同AQP亚型和张力条件，有望揭示机械力感知在水运输调控中的普适性规律，为水肿性疾病、肾功能障碍等膜转运相关疾病的机制研究开辟新途径。