細胞膜結構、動態與功能

細胞膜是細胞與外界環境接觸的第一道界面,許多細胞賴以為生的重要的現象在細胞膜中發生。我們研究細胞膜如何透過它看似隨機的的流動性以及空間中的異質性,完成特定的細胞現象。
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細胞膜主要由各式的脂質分子和膜蛋白所組成,細胞膜的功能,都必須透過這些分子來完成。健康的細胞,能夠在適當的時間將這些分子放置到適當的位置,使它們產生反應,細胞是如何做到的呢?科學家目前相信,由於組成細胞膜的分子成分多元且複雜,分子之間彼此的親和力各有不同,所以在空間中他們的分佈應該是不均勻的。細胞膜中分子的群聚,可能形成許多區塊,這些區塊提供了一種機制,讓特定的分子可以長時間的聚集,增加反應的機會。除此之外,過去的研究也發現,細胞會透過細胞骨架,間接的影響細胞膜分子的分佈和運動。上述調控細胞膜分子分佈和運動的機制非常精細,太強或太弱的作用都會破壞細胞膜的結構和功能,一旦細胞膜的功能損壞,就會導致細胞死亡,產生許多疾病;若是發生在神經細胞,則會導致各式的神經疾病包括阿茲海默症等。

儘管對於細胞膜的特定功能已經有很多了解,關於根本的調節機制卻仍有許多尚未釐清,這些謎團,主要來自於實驗上很難直接觀察分子在微小尺度的行為。細胞膜在室溫下本身具有流動性,細胞膜中的分子不斷受到熱擾動而在膜中做二維的擴散運動,一般來說,分子在極短的時間內(百萬分之一秒)即可透過擴散行走的數奈米的距離;分子只需要不到千分之一秒的時間,就已經經過了數十甚至數百奈米的區域了。所以,如果想要研究細胞膜在分子尺度下的根本調控機制,就需要一個又快又準的量測方法,這在技術上來說是個很大的挑戰。

我們實驗室利用超高速光學顯微技術,在單分子層級研究生物膜的動態和調控機制。我們將很小的金奈米粒子(二十奈米直徑)標記在特定的分子上,藉此追蹤該分子如何在細胞膜中移動。相較於過去的研究方法,我們能使用更小的奈米粒子,並且在更高速之下得到精確的數據,我們目前光學系統的時間及空間解析度,將足以探討細胞膜中奈米大小微區域是否存在,以及它在調控細胞膜功能時所扮演的角色。