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Membranes：中国科学院理论物理研究所——基于生物膜形状方程的多球状解以及红血球髓鞘结构的形成

已有 223 次阅读 2026-5-29 18:08 |个人分类:学术软文|系统分类:论文交流

作者简介

第一作者、通讯作者

姓名：徐涛机构：华中科技大学研究方向：软物质物理，聚变物理

共同作者

姓名：欧阳钟灿机构：中国科学院理论物理研究所研究方向：软物质物理，液晶理论及工业应用，凝聚态物理

文章概述

人类红血球细胞膜由流动的脂质双层和约4至10纳米厚的血影蛋白四聚体三角形网络构成。磷脂占细胞原生质干重的25%-30%。细胞内部及细胞之间通过膜融合与裂解存在着高强度的物质运输，这些过程分别被称为胞吐和胞吞，在生命系统中发挥着核心功能作用。红细胞的形态在人类中通常类似于双凹碟形，在哺乳动物中则近似球形。但当红血球受到严重损伤或发生坏死时，磷脂与水性蛋白质溶液的相互作用会形成称为髓鞘结构的物质，它们分为外部出芽结构和内部出芽结构两种类型。近年来，出芽现象即小囊泡从大囊泡中分离出去的过程，引起了广泛关注。针对单组分巨单层囊泡在不同外部渗透压胁迫下的响应，已有大量实验研究。利用微量移液管抽吸技术可以研究巨型囊泡之间的相互粘附。研究发现，巨型囊泡可以转变为不同的多球结构，其中小球体可位于外部或内部。这一过程类似于红细胞的髓鞘形成。事实上，这些形状转变可以利用欧阳钟灿教授和赫尔弗里希教授提出的生物膜的液晶理论进行统一描述和计算。

生物膜多球状解的示意图

研究过程与结果

1987年，欧阳钟灿教授和赫尔弗里希教授基于生物膜的液晶理论推导出普遍的生物膜形状满足方程:

这里，H为细胞膜的局部平均曲率，C₀为自发曲率，λ为膜的表面张力，∆P为膜内外渗透压强差，K_c为膜的弯曲模量，k ̃为高斯曲率模量。

1993年欧阳钟灿教授和胡建国教授发现对于轴对称的生物膜形状方程，上面普遍的形状方程可以简化为:

在本文，欧阳钟灿教授和徐涛发现：对于轴对称的生物膜，如果在Z轴上有N₁个相同尺寸，半径为R₁的球串联起来，那么在参数系统⍴-ψ中，这些球可以用相同的方程描述，因此球状解存在简并态。由于球状解的半径满足二次代数方程，因此球状解的半径最多只能同时存在二种不同大小的尺寸。对于在Z轴上如果有N₁个半径为R₁，N₂个半径为R₂的球状互相组合串联起来的膜形状可以写成如下简并形式：

为了探究生物膜多球解的转变机制，国内外许多不同的实验室开展了大量巨噬泡实验。众所周知，轻微的外部扰动即可打破平衡，引发膜形态重塑。例如，温度变化会导致梨形、盘形或口形囊泡转变为出芽形态。另有研究发现，关键的形态转变因素是膜的不对称性，这可由分子密度或组分差异驱动。在本文中，作者参考了德国马普所化学与界面实验室中的实验结果。详细实验结果可以参考文献[Tripta Bhatia、Simon Christ、Jan Steinkühler、Rumiana Dimova、Reinhard Lipowsky，《Soft matters》，第16卷，第1246页，2020年]。该文献研究了暴露于两种单糖 (葡萄糖和蔗糖) 的脂质囊泡。其实验步骤包含多个环节：首先，在仅含234 mM蔗糖的水溶液中制备囊泡。制备完成后，囊泡膜的双层叶面均暴露于相同浓度的蔗糖中。随后，将少量囊泡-蔗糖溶液转移至含219 mM葡萄糖和15 mM蔗糖的观察室中。经过此转移步骤，双层膜两侧叶面形成的浓度不对称性，催生了形态各异的“多球体”或“多气球”状囊泡——这些囊泡由数量不等的大、小球体通过极细的沙漏形膜颈连接而成。国内外多个实验室均复现了相同结果：其一，每个此类形态中，单个球体的半径最多只能取两种不同的值；其二，多球体形状要么由两种不同半径的大、小球体构成，要么由多个相同尺寸的球体构成。这一证据印证了作者研究中理论的正确性。另外本论文详述了作者对含有N₁个大球和N₂个小球的多球体组合系统进行模拟的近似计算方法。最后，本文研究了哺乳动物红血球由于老化或者破损引发的多球状解，给出了红细胞的髓鞘结构的多重解理论，并做了数值模拟。模拟结果符合实验观测的数据。

基于生物膜的多球解理论对囊泡出芽现象的模拟

研究总结

本文构建了一个基于膜形状方程的多解理论。红细胞或者巨囊泡的膜形状由钟灿-赫尔弗里希形状方程确定。这些具有相同半径但中心位置不同的球面解，可由同一方程描述。球状解存在简并性，从而产生了具有相同半径的多球状解。在理论和实验中可以发现生物膜在特定条件下存在简并的球面解，而这些球面的半径需要满足二次代数方程，而二次代数方程最多有两个不同实数根。因此稳定的多球面膜的球面的半径可以不同，但最多只能同时存在二种不同大小的尺寸。作者还发现，这些多球状解为了满足旋转对称性必须共线串联。作者利用二次代数方程计算球体半径，并结合膜面积约束条件，得到球体的数量；通过匹配能量约束条件来确定解的稳定性。另外，该方法被拓展应用于红细胞的髓鞘形成研究。作者的数值计算结果与实验结果高度吻合，并能够对细胞分裂与融合现象进行全面的研究。此外，作者预测了膜生长中分岔现象的存在，并提出了相应的调控策略。

阅读英文原文：https://www.mdpi.com/2077-0375/15/10/319