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  南京大學匡亞明學院胡晶磊副教授、化學化工學院胡文兵教授與合作者在高分子與細胞膜相互作用機制方面取得重要進展。研究成果以“Polymer sailing on rafts within lipid membranes”為題，于2025年7月3日發表在《美國科學院院刊》上。

  生物高分子在細胞膜上的吸附與擴散對于信號轉導及包括阿爾茲海默癥在內的多種疾病的發生機制至關重要。然而，由于膜異質性、大分子構象以及流體力學作用之間的復雜耦合，研究這一過程面臨極大的挑戰。研究團隊采用大尺度流體力學模擬，結合單分子示蹤實驗，發現吸附高分子單鏈足以誘導生物膜上脂筏的形成，而脂筏提供的動態限域環境則顯著影響高分子的構象與動力學，進而導致高分子鏈在界面上的擴散行為遵循新的標度律。該研究表明，高分子吸附物可以物理感知生物膜的異質性，并可作為調控膜蛋白簇集與信號傳導以及免疫突觸等脂筏相關細胞過程的有效工具。該研究工作是高分子物理化學與生物學交叉的典型范例。研究成果一方面表明脂質膜為研究二維高分子的動力學提供了獨特的界面，將促進生物體系中高分子理論的發展；另一方面對生物物理學和生物技術領域具有重要意義，尤其是在理解細胞膜的組織行為和推動膜靶向治療方法的應用方面。

高分子在脂筏上的擴散遵循新標度律

  當吸附高分子受限于膜內脂筏的動態約束時，其擴散系數呈現新的標度關系D ～ N^?νD, 其中ν_D ≈ 0.5（圖1）。由細胞質或細胞外液吸附到脂筏上的納米尺寸的生物高分子也將遵循該標度關系。這一納米尺度且生物相關的物理區域由以下兩個特征長度所決定：一是Saffman-Delbrück 長度 ?_SD（約10–100 nm），二是高分子能夠誘導脂筏形成所需的最小尺寸?_c（約1.8 nm）。

圖1：大尺度流體力學模擬與單分子示蹤實驗揭示高分子在異質膜上的新擴散規律。

吸附高分子對脂筏具有調控作用

  在A相基質（天藍色）中，B型脂質團簇（以不同顏色區分）在膜上持續發生融合與裂解，導致團簇的大小和形狀不斷變化。吸附高分子鏈（紅色）能感知周圍B型脂筏（黃色）的分布，并動態調整自身構象（圖2a）。從膜生物物理學的角度來看，當高分子的吸附能足夠抵消脂質混合熵和自身構象熵的損失時，它可作為“高分子膠水”，將多個小脂質簇聚合成較大的、與其共定位的脂筏。反過來，這些脂筏又對高分子施加“軟限域”約束，使其在膜面呈現出溶脹但受限的二維構象特征（圖2c-d）。

圖 2：大尺度流體力學模擬揭示吸附高分子鏈促進脂筏的形成，而脂筏反過來影響高分子鏈的構象行為。

高分子在膜上呈現兩種擴散模式

  跨膜蛋白一類的膜內嵌物的擴散是膜生物物理學中的核心概念，對理解膜的結構與功能具有重要意義。人們普遍認為，附著或嵌入膜中的生物大分子表現出類似于跨膜蛋白的Saffman-Delbrück擴散模式。然而，吸附在膜表面的高分子鏈在擴散過程中會根據其與溶劑（P–S）和與膜（P–M）之間的粘滯阻力的差異呈現出Stokes-Einstein與Saffman-Delbrück兩種模式。具體來說：當 P–S 摩擦占主導時，高分子作為三維物體在溶液中擴散，遵循 Stokes-Einstein關系；當 P–M 摩擦占主導時，高分子表現得類似于膜內嵌物，其擴散行為符合Saffman-Delbrück模式。這一發現為理解二維膜與三維溶劑流體如何共同調控膜上納米尺度物體的擴散提供了新的視角（圖3）。

圖3：大尺度流體力學模擬揭示高分子在脂質膜上擴散的尺寸依賴性及相應的物理圖像。

  南京大學胡晶磊課題組的博士生高潔為論文第一作者，化學拔尖班本科生沈祎楊為第二作者。中國科學院溫州研究院好村滋行（Shigeyuki Komura）教授提供了富有啟發性的討論并參與論文修改。南京大學胡文兵教授在數據分析和論文寫作方面提供了重要指導，武漢理工大學沈雷教授負責單分子示蹤實驗，他們為論文的共同通訊作者。胡晶磊副教授構思并設計了整個研究項目，是論文的最后通訊作者。本研究得到國家自然科學基金重點和面上項目以及國家重點研發計劃的資助。大尺度流體力學模擬工作在南京大學高性能計算中心完成。

  原文鏈接：https://doi.org/10.1073/pnas.2503203122