Nature：含膽固醇層的熵排斥抵消生物粘附

一、【導讀】

濕態粘附在自然界和日常生活中普遍存在。海洋生物在長期進化過程中為了抵抗浪潮的沖擊，需要牢固附著到巖石表面，進行捕食和繁衍后代。受生物粘附的影響，一些仿生設計出現在人們的生產生活中，比如納米吸盤、神圣蓮花的超疏水葉子和豬籠草的全憎表面等。由熱擾動引起的生物膜間的波動熵力調控著大量的生物學功能，例如：細胞粘附、細胞融合、細胞膜結合與解離的轉換以及細胞膜的自組裝。因此，生物膜間的波動力及其規律構成了生命科學研究中重要的基礎。粘附力的控制是生物體的一個顯著特征，這對于技術轉化具有特別意義。

二、【成果掠影】

據報道，游離脂肪酸可以殺死或抑制細菌和真菌的生長，類固醇可以減少海綿和海星的生物粘附 。然而，對于類固醇的這種作用機制還沒有合理的解釋。彈尾目表皮的兩親性脂質組分也包含在動物和細菌細胞的膜中，其在分子機器的區室化和功能對準中起關鍵作用。特別是膽固醇，已經被全面研究，并且它的存在被認為是調節功能性脂質結構域和蛋白質與脂質之間相互作用的關鍵。然而，膽固醇在細胞膜以外的生命結構界面的功能相關性還未得到充分研究。德國德累斯頓工業大學Carsten Werner團隊證明了，由膽固醇層的界面取向波動引起的熵排斥限制了蛋白質吸附和細菌粘附。此外，當含有少量（低于10wt%）膽固醇時，固有粘合性蠟酯層變得類似抗生物粘附。潤濕、吸附和粘附實驗以及原子模擬表明，排斥特性取決于膽固醇的特定分子結構，其在無約束超分子組裝體的界面處編碼精細平衡的波動重取向：層的膽固醇類似物不同，只有在微小的分子變化顯示出顯著不同的界面流動性和無抗粘附作用。此外，取向固定的膽固醇層不抵抗生物粘附。該工作從物理化學角度提供了一個新的生物界面概念，并可能指導未來的材料設計在調節粘附的應用。該項工作以 “Entropic repulsion of cholesterol-containing layers counteracts bioadhesion”為題發表在Nature上。

三、【核心創新點】

1.抗粘附彈尾目表皮細胞組成防線的探討，確定了含膽固醇層的物理化學特征，導致有效的熵排斥

2.膽固醇組裝的分子排列，能夠熵限制生物粘附

3.膽固醇的空間解耦的兩親性和其在多層中的有效排列的組合，產生緩慢自適應的、合作的組裝體的界面取向流動性，被確定為是顯著熵排斥的先決條件

四、【數據概覽】

圖1 含膽固醇層的熵排斥抵消生物粘附 ?2023 The Authors

圖2 ?膽固醇SCL動態地適應其環境的極性 ?2023 The Authors

圖3 膽固醇SCLs熵排斥的定量證據和分子機制的驗證 ?2023 The Authors

圖4 膽固醇類似物分子的SCLs顯示出分級的生物粘附性 ?2023 The Authors

五、【成果啟示】

研究結果表明，研究結果表明，膽固醇組裝的分子排列，能夠熵限制生物粘附。膽固醇的空間解耦的兩親性和其在多層中的有效排列的組合，產生緩慢自適應的、合作的組裝體的界面取向流動性，被確定為是顯著熵排斥的先決條件。使用脂質層沒有角質的形態特征，通過解剖，發現分子組裝在控制生物粘附的防粘附地形的彈尾蟲角質。含有膽固醇的脂質層被發現，以抵消生物粘附的先前未知的熵排斥機制，不像早期報道的界面效應所引起的取向波動。分子動力學模擬表明，類似物的SCLs與輕微的結構修飾方面膽固醇表現顯著不同，在模擬時間內沒有回復分子的自發回旋。模擬還表明，膽固醇SCL經受顯著更低的界面波動，表明膽固醇的特定分子間相互作用提供高界面迀移率并允許自發分子波動。這些研究結果支持實驗推導的兩親性分子能夠產生熵排斥組件的條件。

原文詳情：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06033-4