“片叶不沾身”,只因胆固醇

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生命体进化出了神奇的机制来控制表面粘附力,其中最著名的例子当属“荷花效应(Lotus effect)”[1, 2]本就疏水的蜡状角质层在荷叶表面形成微纳米结构,最大限度地减少了水滴的粘附,滚动的水滴又能将表面的灰尘颗粒带走,这便是莲“出淤泥而不染”的缘故。这种超疏水性和自清洁的特性还存在于其它动植物中,如猪笼草 [3, 4]槐树叶 [5]金莲花 [6]仙人掌 [7]以及昆虫的翅膀 [8, 9]水黾的腿 [10,11]相关机制以及仿生材料的研究也屡屡登上顶级期刊。

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具有超润湿性的生物表面及其多尺度结构。[12]

近日,德国莱布尼茨高分子研究所Carsten Werner课题组在Nature 杂志上发表论文,通过对弹尾虫身体表面角质层的研究,发现其中富含的胆固醇可以减少生物粘附,抑制细菌生长。这种排斥性质,主要取决于胆固醇特定的分子结构,基于界面胆固醇分子取向性的自发变化,形成“熵屏障(entropic barrier)”。该工作还被选为当期Nature 杂志封面。

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当期Nature封面。

事实上,早在一个多世纪以前,人们就发现弹尾虫角质层具有很好的超疏水性 [13]上世纪七十年代,科学家利用电子显微镜在微观尺度上揭示了其表面的微纳米颗粒结构。近几年,化学家又结合飞行时间二次离子质谱(TOF-SIMS)、气相色谱质谱(GC-MS)等技术,证明了弹尾虫角质层由脂肪酸、胆固醇和萜烯等脂质混合物组成,其中,脂肪酸和萜烯由于其固有的抗菌作用,被认为是角质层表面防污抗菌特性的原因,却对胆固醇的作用所知甚少。

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弹尾虫角质层中独特的微纳结构。[13]

研究者将胆固醇分子,以及另外两种衍生物分别沉积在硅片和金基底上,形成多层胆固醇分子(SCLs)以及两种单层自组装分子(SAM)。通过测试几种膜对溶菌酶和表皮葡萄球菌的吸附实验发现,胆固醇SCLs膜的粘附性非常低。分析不同层厚的胆固醇SCLs膜,可以排除厚度对粘附特性的影响。更重要的是,反向排列的分子——即另外两种SAM膜——则吸附了更多的蛋白质和细菌。这说明,层状胆固醇中分子的取向性,或许是其低生物粘附性的主要来源。

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弹尾虫表皮脂质层及其生物粘附特性分析。

动态润湿实验显示,水滴接触胆固醇SCLs膜瞬间,接触角较大,这表明在空气中,胆固醇最外层分子烃基链朝外。而放置一段时间后,接触角从93°降低至84°,且这一变化是可逆的,说明胆固醇SCLs界面分子取向可以随环境改变,具有动态极性适应能力。

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胆固醇SCLs膜随环境变化的动态极性适应性。

无论是对蛋白质还是对细菌的粘附性能,都与胆固醇SCLs界面层的极性有关,即取决于胆固醇分子的取向状态,而分子取向又与系统的熵相关。为了验证胆固醇分子取向的改变性,研究者选择了三种复杂性不断增加的蛋白质:溶菌酶、白蛋白和纤维蛋白原。利用平衡状态下,吸附吉布斯自由能随温度变化的斜率,计算胆固醇SCLs对蛋白质的排斥熵(ΔSchol)。

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胆固醇SCLs对蛋白质吸附的温度依赖性。

显然,不同于另外两种SAM层,胆固醇SCLs显示出正斜率,吸附熵ΔS为负,这说明胆固醇SCLs表面具有显著的熵排斥力,降低了其对蛋白质的粘附性能。分子动力学模拟也证实了,胆固醇分子的取向在一定范围内具有协同性,即胆固醇SCLs界面具有高度波动的特征。

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胆固醇SCLs膜的熵排斥力及分子机制。

那么,胆固醇界面的“熵屏障”的来源又是什么呢?研究者设计了9种胆固醇类似物,利用同样方法制备了SCLs膜并验证了生物粘附特性。研究发现,两亲性是其低生物粘附性的必要不充分条件,其他几种两亲性分子的抗粘附性能都达不到胆固醇的效果。这与不同分子界面自适应所需的时间有关,由熵排斥大小所决定,分子动力学模拟同样证实了这一点。

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9种胆固醇类似物分子的生物粘附性能。
“我们的研究结果表明,抗粘附特性取决于胆固醇特定的分子结构,如果利用该结构在界面上实现具有取向性的超分子自组装,或许可以有效减少生物分子和细菌在产品表面的附着,Carsten Werner说 [14]胆固醇分子极易提取和合成,这一发现或许为生物界面的开发提供了新的线索。


Nature, 2023, 618, 733-739, DOI: 10.1038/s41586-023-06033-4

参考文献:
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[14] Scientists discover what makes cholesterol-containing surfaces so repulsive
https://phys.org/news/2023-06-scientists-cholesterol-containing-surfaces-repulsive.html

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