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    最近，在國(guó)家自然科學(xué)基金和科技部“973”項(xiàng)目的資助下，南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和物理學(xué)院教授、蘇州大學(xué)軟凝聚態(tài)物理及交叉研究中心教授馬余強(qiáng)課題組，在軟凝聚態(tài)和生物物理交叉領(lǐng)域取得了系列重要進(jìn)展，其中兩項(xiàng)成果分別刊登在最近出版的美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》（PNAS）和《自然—納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上。

    發(fā)表在美國(guó)《國(guó)家科學(xué)院院刊》上的論文題目為《理解植物細(xì)胞皮層微管自組織的相行為》，作者是南京大學(xué)物理學(xué)院2007級(jí)博士生施夏清和導(dǎo)師馬余強(qiáng)。

    據(jù)馬余強(qiáng)介紹，植物細(xì)胞皮層微管陣列是一種獨(dú)特的細(xì)胞骨架結(jié)構(gòu)。與動(dòng)物細(xì)胞不同的是，植物細(xì)胞骨架沒(méi)有中心體。在細(xì)胞分裂間期，微管分布在液泡和植物細(xì)胞質(zhì)膜之間的細(xì)胞質(zhì)殼層中。1962年，Paul Green就推測(cè)在植物細(xì)胞皮層存在高度各向異性的物質(zhì)結(jié)構(gòu)。1963年，Ledbetter和Porter在植物細(xì)胞質(zhì)膜下觀察到平行排列的環(huán)紋狀結(jié)構(gòu)，并將這種獨(dú)特的纖維狀物質(zhì)命名為“微管”�！斑@種環(huán)紋狀結(jié)構(gòu)就是植物細(xì)胞皮層微管陣列，它在植物細(xì)胞形態(tài)發(fā)生中起著至關(guān)重要的作用”。2003年，通過(guò)熒光顯微技術(shù)，Sidney L.Shaw等人觀察到微管在質(zhì)膜上的“踏車”（treadmilling）運(yùn)動(dòng)。2004年，Ram Dixit和Richard Cyr進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，“踏車”運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致微管之間相互碰撞，并可能誘發(fā)微管的自發(fā)有序化。這些發(fā)現(xiàn)引發(fā)了微管有序化方面的理論探討。特別有意義的一個(gè)挑戰(zhàn)是，在沒(méi)有中心體的情況下，細(xì)胞分裂周期中不同時(shí)期的微管組織形態(tài)是如何形成和調(diào)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(yīng)的微管系統(tǒng)中發(fā)生有序和無(wú)序轉(zhuǎn)變的調(diào)控機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)，在這樣的系統(tǒng)中，聚合反應(yīng)往往和微管間的相互作用發(fā)生耦合，從而實(shí)現(xiàn)新穎的有序—無(wú)序轉(zhuǎn)變機(jī)制。通過(guò)調(diào)控微管的聚合—解聚速率往往就能實(shí)現(xiàn)向列相有序—無(wú)序的轉(zhuǎn)變。不僅如此，通過(guò)改變微管的其他動(dòng)力學(xué)參數(shù)，比如成核速率、災(zāi)變速率，也能促發(fā)形態(tài)的有序—無(wú)序轉(zhuǎn)變。作者通過(guò)建立理論模型，結(jié)合大規(guī)模的數(shù)值計(jì)算和模擬，得到了系統(tǒng)的相圖，并揭示了相圖各區(qū)域的相轉(zhuǎn)變特性。相圖揭示了系統(tǒng)存在兩種不同的向列相有序態(tài)。這些有序態(tài)和無(wú)序態(tài)之間的轉(zhuǎn)變，可以通過(guò)連續(xù)或不連續(xù)相變完成。轉(zhuǎn)變特性取決于系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)參數(shù)。這些研究結(jié)果不僅印證了實(shí)驗(yàn)上關(guān)于皮層微管陣列有序化機(jī)制的猜測(cè)，同時(shí)也有助于生物學(xué)家進(jìn)一步理解微管出現(xiàn)自發(fā)有序的微觀調(diào)控機(jī)制。

    題為《形狀不同納米粒子入侵細(xì)胞膜的計(jì)算機(jī)模擬研究》的論文發(fā)表在《自然—納米技術(shù)》8月刊上。作者是南京大學(xué)物理學(xué)院2006級(jí)博士生楊愷和導(dǎo)師馬余強(qiáng)。

    對(duì)于生物技術(shù)的發(fā)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(xì)胞膜的保護(hù)，將基因、蛋白、藥物或其他有用的分子輸送到細(xì)胞的內(nèi)部，因此被認(rèn)為是一種極有應(yīng)用前景的基因和藥物輸運(yùn)載體或生物顯影劑，有望使人類對(duì)于疾病的治療和診斷達(dá)到細(xì)胞甚至亞細(xì)胞的水平。但另一方面，納米粒子卻有著極大的細(xì)胞毒性，因此會(huì)阻礙其廣泛應(yīng)用。要解決這一矛盾，最關(guān)鍵的一點(diǎn)是要深入理解納米粒子在穿膜過(guò)程中與細(xì)胞膜的相互作用機(jī)制。

    對(duì)這方面的研究，人們大多集中在對(duì)納米粒子表面的化學(xué)改性上，而對(duì)于粒子的物理性質(zhì)特別是粒子幾何形狀效應(yīng)，卻還被忽視。實(shí)際上，在自然界中許多涉及穿膜的細(xì)菌和蛋白，如李斯特菌和革蘭氏陰性細(xì)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(zhì)。因此，理解在穿膜過(guò)程中納米粒子幾何性質(zhì)對(duì)它們的相互作用影響，對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)納米粒子在生物技術(shù)方面的應(yīng)用以及理解細(xì)胞膜相關(guān)現(xiàn)象的物理本質(zhì)極其重要。

    通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬研究發(fā)現(xiàn)，納米粒子的大小、形狀和表面化學(xué)性質(zhì)會(huì)強(qiáng)烈地影響粒子與細(xì)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(qiáng)和楊愷系統(tǒng)地研究了粒子形狀對(duì)穿膜的影響，發(fā)現(xiàn)粒子形狀的影響體現(xiàn)在粒子幾何性質(zhì)的各個(gè)方面：粒子形狀的各向異性程度和粒子相對(duì)于膜的初始取向，是其中最為關(guān)鍵的影響因素，它們決定了粒子穿膜能力的另外兩個(gè)重要因素——粒子與膜的接觸面積和粒子在接觸點(diǎn)處的局部曲率變化。而對(duì)于粒子的體積，在粒子的物理穿透過(guò)程中，卻并非一個(gè)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(guò)程中會(huì)發(fā)生兩個(gè)相反的旋轉(zhuǎn)過(guò)程，而這些旋轉(zhuǎn)過(guò)程使得粒子幾何性質(zhì)的影響相互耦合，從而使粒子的穿透變得更為復(fù)雜。因此，如何利用不同粒子穿膜的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力學(xué)是設(shè)計(jì)納米粒子穿透能力的一個(gè)關(guān)鍵因素。

    他們研究認(rèn)為，如果能充分利用粒子的幾何性質(zhì)，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(duì)特殊細(xì)胞的靶向識(shí)別能力，從而降低對(duì)正常細(xì)胞的毒性。

    “因此，這些研究結(jié)果對(duì)今后高性能和低毒性納米尺度藥物輸運(yùn)載體的設(shè)計(jì)和制備具有重要的指導(dǎo)意義�！庇嘘P(guān)專家表示。