Nature：含胆固醇层的熵排斥抵消生物粘附

一、【导读】

湿态粘附在自然界和日常生活中普遍存在。海洋生物在长期进化过程中为了抵抗浪潮的冲击，需要牢固附着到岩石表面，进行捕食和繁衍后代。受生物粘附的影响，一些仿生设计出现在人们的生产生活中，比如纳米吸盘、神圣莲花的超疏水叶子和猪笼草的全憎表面等。由热扰动引起的生物膜间的波动熵力调控着大量的生物学功能，例如：细胞粘附、细胞融合、细胞膜结合与解离的转换以及细胞膜的自组装。因此，生物膜间的波动力及其规律构成了生命科学研究中重要的基础。粘附力的控制是生物体的一个显著特征，这对于技术转化具有特别意义。

二、【成果掠影】

据报道，游离脂肪酸可以杀死或抑制细菌和真菌的生长，类固醇可以减少海绵和海星的生物粘附 。然而，对于类固醇的这种作用机制还没有合理的解释。弹尾目表皮的两亲性脂质组分也包含在动物和细菌细胞的膜中，其在分子机器的区室化和功能对准中起关键作用。特别是胆固醇，已经被全面研究，并且它的存在被认为是调节功能性脂质结构域和蛋白质与脂质之间相互作用的关键。然而，胆固醇在细胞膜以外的生命结构界面的功能相关性还未得到充分研究。德国德累斯顿工业大学Carsten Werner团队证明了，由胆固醇层的界面取向波动引起的熵排斥限制了蛋白质吸附和细菌粘附。此外，当含有少量（低于10wt%）胆固醇时，固有粘合性蜡酯层变得类似抗生物粘附。润湿、吸附和粘附实验以及原子模拟表明，排斥特性取决于胆固醇的特定分子结构，其在无约束超分子组装体的界面处编码精细平衡的波动重取向：层的胆固醇类似物不同，只有在微小的分子变化显示出显着不同的界面流动性和无抗粘附作用。此外，取向固定的胆固醇层不抵抗生物粘附。该工作从物理化学角度提供了一个新的生物界面概念，并可能指导未来的材料设计在调节粘附的应用。该项工作以 “Entropic repulsion of cholesterol-containing layers counteracts bioadhesion”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

1.抗粘附弹尾目表皮细胞组成防线的探讨，确定了含胆固醇层的物理化学特征，导致有效的熵排斥

2.胆固醇组装的分子排列，能够熵限制生物粘附

3.胆固醇的空间解耦的两亲性和其在多层中的有效排列的组合，产生缓慢自适应的、合作的组装体的界面取向流动性，被确定为是显著熵排斥的先决条件

四、【数据概览】

图1 含胆固醇层的熵排斥抵消生物粘附 ©2023 The Authors

图2  胆固醇SCL动态地适应其环境的极性 ©2023 The Authors

图3 胆固醇SCLs熵排斥的定量证据和分子机制的验证 ©2023 The Authors

图4 胆固醇类似物分子的SCLs显示出分级的生物粘附性 ©2023 The Authors

五、【成果启示】

研究结果表明，研究结果表明，胆固醇组装的分子排列，能够熵限制生物粘附。胆固醇的空间解耦的两亲性和其在多层中的有效排列的组合，产生缓慢自适应的、合作的组装体的界面取向流动性，被确定为是显著熵排斥的先决条件。使用脂质层没有角质的形态特征，通过解剖，发现分子组装在控制生物粘附的防粘附地形的弹尾虫角质。含有胆固醇的脂质层被发现，以抵消生物粘附的先前未知的熵排斥机制，不像早期报道的界面效应所引起的取向波动。分子动力学模拟表明，类似物的SCLs与轻微的结构修饰方面胆固醇表现显著不同，在模拟时间内没有回复分子的自发回旋。模拟还表明，胆固醇SCL经受显著更低的界面波动，表明胆固醇的特定分子间相互作用提供高界面迀移率并允许自发分子波动。这些研究结果支持实验推导的两亲性分子能够产生熵排斥组件的条件。

原文详情：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06033-4