磷脂双层膜表面水的微观性质及其潜在生物效应

Phospholipid bilayers are self-assembled structures in aqueous environments, which serve as protective barriers surrounding the cell, nucleus and other sub-cellular organelles. Water properties at the interfaces of phospholipid bilayers are of essential importance for the dynamics, stability and function of phospholipid bilayers, strongly associated to numerous biological processes and their relevant biological functions at the interfaces of phospholipid bilayers. Although there has been much progress in the understanding of phospholipid bilayers themselves, the understanding of microscopic properties of water at the interfaces of phospholipid bilayers as well as potential biological effects of the interfacial water still remain unclear. In this project, we will use molecular dynamics simulations combined with statistical physics to study the microscopic structures and dynamical properties of water at the interfaces of phospholipid membranes as well as potential biological effects of the interfacial water. We will build up the simplified models of phospholipid membranes with self-assemble monolayers terminated by various hydrophilic head groups of phospholipids to analyze the interactions between these hydrophilic head groups and water, and investigate the water behaviors on various phospholipid bilayers. Furthermore, we will introduce the nanoparticles with various hydrophobic and hydrophilic characteristics as the perturbance on the structures of phospholipid bilayers, and then explore the relationship between the structures of phospholipid bilayers and water behaviors above such surfaces, with focus on interfacial water potential biological effects and the underlying physical mechanisms. This research would be helpful to better understand the microscopic properties of water at biological interfaces, and provide an clearer physical picture for the understanding of water functionality in biology (potential biological effects of water), which is a fundamental issue in life science.

磷脂双层膜是在水环境中的一种自组装结构，作为分隔细胞内外及内部细胞器之间屏障性的生物界面，在该界面上大量生物过程及相应功能的实现都与磷脂膜表面水的微观性质密切相关。尽管关于磷脂膜本身研究已取得许多进展，但磷脂膜表面上水分子的微观性质，尤其是与之相关的生物效应，却远没有被理解清楚。本项目拟结合统计物理理论和分子动力学模拟，研究磷脂双层膜表面水的微观结构和动力学性质及潜在生物效应，主要内容包括：通过将磷脂膜结构进行模型化来分析他与水分子的作用规律，进而分析不同磷脂双层膜表面上水的行为；利用具有不同亲疏水特征的纳米颗粒作为磷脂双层膜表面结构的微扰，来探索磷脂膜结构特性与其表面水分子行为的关联，尤其关注膜表面水分子潜在的生物效应，并发掘其背后的物理机制。本项目有助于人们更深入地理解生物界面水的微观性质，并就生命科学的基础性前沿问题——生物界面水的潜在生物功能问题（生物效应）给出更为清晰的物理图像。

本项目基于理论物理思想来构建简化物理模型，尝试研究基本生物基团自组装界面水的微观结构和动力学性质及潜在生物效应，并取得系列进展：i)构建双羟基作为终端的烷烃链自组装界面，发现在双羟基终端的仿生膜界面上，羟基自身即可形成类冰的氢键网络结构，极大程度上减弱与界面上水分子的相互作用，从而展现出疏水特征（接触角达~82º）。首次理论上预言了并在实验验证完全由亲水基团构成的分子界面可展现出疏水特征。ii) 考虑到属于疏水基团的芳环基，构造磷酸化酪氨酸分子模型，在理论上提出了侧链协同的水合离子π相互作用，发现水合离子π相互作用明显增加芳香环结构上电子离域性，显著增强了溶液中水分子与芳香环结构之间的作用，表明传统意义上认为疏水的芳香环结构转变为亲水结构。进一步核磁、UV谱实验结果也证实如此侧链协同的水合离子π相互作用。此结果将会引导人们重新认识芳香环结构及离子的生物功能，从一个全新角度来理解离子的选择性。iii）考虑包含着大量生物基团的生物材料界面(例如：氧化石墨烯)，研究水分子与界面上生物基团的相互作用以及其诱导的界面性质的变化，发现水分子诱导下氧化石墨烯界面在常温下转化为大面积的自发动态共价分子界面，并且界面上生物基团官与生物分子之间的相互作用的自适应性行为。我们DFT计算和AIMD模拟，以及同步光源红外实验，展现了氧化石墨烯结构的全新认识，挑战了广为接受的“静态图片”（即，无水氧化石墨烯在其界面动力学过程中纯粹表现为一个被动角色)。基于以上简化模型理论和实验研究，我们观察到了水分子参与导致分子界面上出现了“可变”的分子亲疏水特征，这些研究表明水分子不仅作为背景溶剂分子，其与界面基团相互作用展现出不同的亲疏水特性，可能是普遍能够存在的一种界面特征；这些结果也提供一个理解“生物水”以及生物水可能承载生物功能方面的新视角。