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    最近，在國家自然科學基金和科技部“973”項目的資助下，南京大學固體微結構物理國家實驗室和物理學院教授、蘇州大學軟凝聚態物理及交叉研究中心教授馬余強課題組，在軟凝聚態和生物物理交叉領域取得了系列重要進展，其中兩項成果分別刊登在最近出版的美國《國家科學院院刊》（PNAS）和《自然—納米技術》（Nature Nanotechnology）上。

    發表在美國《國家科學院院刊》上的論文題目為《理解植物細胞皮層微管自組織的相行為》，作者是南京大學物理學院2007級博士生施夏清和導師馬余強。

    據馬余強介紹，植物細胞皮層微管陣列是一種獨特的細胞骨架結構。與動物細胞不同的是，植物細胞骨架沒有中心體。在細胞分裂間期，微管分布在液泡和植物細胞質膜之間的細胞質殼層中。1962年，Paul Green就推測在植物細胞皮層存在高度各向異性的物質結構。1963年，Ledbetter和Porter在植物細胞質膜下觀察到平行排列的環紋狀結構，并將這種獨特的纖維狀物質命名為“微管”。“這種環紋狀結構就是植物細胞皮層微管陣列，它在植物細胞形態發生中起著至關重要的作用”。2003年，通過熒光顯微技術，Sidney L.Shaw等人觀察到微管在質膜上的“踏車”（treadmilling）運動。2004年，Ram Dixit和Richard Cyr進一步發現，“踏車”運動導致微管之間相互碰撞，并可能誘發微管的自發有序化。這些發現引發了微管有序化方面的理論探討。特別有意義的一個挑戰是，在沒有中心體的情況下，細胞分裂周期中不同時期的微管組織形態是如何形成和調控的。

    該研究從理論和模擬兩方面深入探討了存在聚合—解聚反應的微管系統中發生有序和無序轉變的調控機制。研究發現，在這樣的系統中，聚合反應往往和微管間的相互作用發生耦合，從而實現新穎的有序—無序轉變機制。通過調控微管的聚合—解聚速率往往就能實現向列相有序—無序的轉變。不僅如此，通過改變微管的其他動力學參數，比如成核速率、災變速率，也能促發形態的有序—無序轉變。作者通過建立理論模型，結合大規模的數值計算和模擬，得到了系統的相圖，并揭示了相圖各區域的相轉變特性。相圖揭示了系統存在兩種不同的向列相有序態。這些有序態和無序態之間的轉變，可以通過連續或不連續相變完成。轉變特性取決于系統的動力學參數。這些研究結果不僅印證了實驗上關于皮層微管陣列有序化機制的猜測，同時也有助于生物學家進一步理解微管出現自發有序的微觀調控機制。

    題為《形狀不同納米粒子入侵細胞膜的計算機模擬研究》的論文發表在《自然—納米技術》8月刊上。作者是南京大學物理學院2006級博士生楊愷和導師馬余強。

    對于生物技術的發展而言，納米粒子可謂是一把雙刃劍。一方面，納米粒子能突破細胞膜的保護，將基因、蛋白、藥物或其他有用的分子輸送到細胞的內部，因此被認為是一種極有應用前景的基因和藥物輸運載體或生物顯影劑，有望使人類對于疾病的治療和診斷達到細胞甚至亞細胞的水平。但另一方面，納米粒子卻有著極大的細胞毒性，因此會阻礙其廣泛應用。要解決這一矛盾，最關鍵的一點是要深入理解納米粒子在穿膜過程中與細胞膜的相互作用機制。

    對這方面的研究，人們大多集中在對納米粒子表面的化學改性上，而對于粒子的物理性質特別是粒子幾何形狀效應，卻還被忽視。實際上，在自然界中許多涉及穿膜的細菌和蛋白，如李斯特菌和革蘭氏陰性細菌——沙門氏菌，都具有各向異性的形狀，而不是各向同性的球形物質。因此，理解在穿膜過程中納米粒子幾何性質對它們的相互作用影響，對進一步推動納米粒子在生物技術方面的應用以及理解細胞膜相關現象的物理本質極其重要。

    通過計算機模擬研究發現，納米粒子的大小、形狀和表面化學性質會強烈地影響粒子與細胞膜的相互作用，但它們之間的影響常常是耦合在一起的。馬余強和楊愷系統地研究了粒子形狀對穿膜的影響，發現粒子形狀的影響體現在粒子幾何性質的各個方面：粒子形狀的各向異性程度和粒子相對于膜的初始取向，是其中最為關鍵的影響因素，它們決定了粒子穿膜能力的另外兩個重要因素——粒子與膜的接觸面積和粒子在接觸點處的局部曲率變化。而對于粒子的體積，在粒子的物理穿透過程中，卻并非一個直接的影響因素。更有意義的是，模擬還揭示了粒子在穿膜過程中會發生兩個相反的旋轉過程，而這些旋轉過程使得粒子幾何性質的影響相互耦合，從而使粒子的穿透變得更為復雜。因此，如何利用不同粒子穿膜的旋轉動力學是設計納米粒子穿透能力的一個關鍵因素。

    他們研究認為，如果能充分利用粒子的幾何性質，有可能賦予納米粒子一些特殊功能。例如，它有可能極大地提高納米粒子的載藥能力，還有可能使得納米粒子具有對特殊細胞的靶向識別能力，從而降低對正常細胞的毒性。

    “因此，這些研究結果對今后高性能和低毒性納米尺度藥物輸運載體的設計和制備具有重要的指導意義。”有關專家表示。