众所周知,离体的生物细胞在常规方式下难以实现长期保存。就目前而言,低温保存是最常见的长期保存方法。低温保存技术广泛应用于胚胎干细胞、珍稀动植物种质资源、基因资源的长期保存以及人体器官和组织的移植等,是对生命科学和生态学领域有着深远影响的关键技术。低温保存的首要目标是尽可能地减小低温损伤,添加低温保护剂是抑制低温损伤的有效手段。海藻糖作为最常见的天然保护剂之一,在低温或脱水等极端环境下,能够维持生物膜结构和功能的完整性,具有十分优越的生物膜稳定效果。然而,在海藻糖类保护剂应用日渐广泛的背后,其稳定作用的内在机理仍然未知,严重制约了低温保存基础理论和低温保存技术的进一步发展。因此,分析海藻糖与生物膜的微观相互作用,探究海藻糖对生物膜稳定作用的分子机制,具有极其重要的理论和现实意义。首先,本文对不同浓度的海藻糖水溶液进行了分子动力学(MD)模拟,并对溶液微观结构、动力学特性和氢键特性进行了分析。研究发现,海藻糖分子的糖苷键二面角不易发生扭曲变形,其相对刚性的分子结构是海藻糖能够发挥保护作用的基础。同时,海藻糖具有很强的形成氢键的能力,能够与水形成氢键并破坏水分子的局部四面体结构,降低水分子的平动和转动速度,进而抑制冰品成核和生长。据此本文提出“抑制成核效应”稳定机理:通过降低溶液侧结晶趋势,缓解磷脂膜侧脱水的趋势,从而避免生物膜脱水损伤,起到稳定生物膜的作用。其次,本文建立了不同组成的海藻糖/水/POPC膜体系,通过控制水合程度来模拟生物膜脱水环境。研究发现,海藻糖能够代替水与磷脂分子相结合,从而提高单个磷脂分子平均面积,降低双层膜厚度和酰基链有序程度,降低各基团移动性,抑制磷脂膜向凝胶态的转变。研究结果证实了“水替代效应”、“体积效应”以及“玻璃化效应”假说,并在原子层面对其具体作用方式进行了阐释。此外,海藻糖分子能够调节磷脂头部偶极的分布,进而影响膜表面电荷分布,改变电荷敏感型保护物质或有害粒子的作用环境,据此本文提出“电荷调节效应”保护机理。进一步研究表明,升温条件下,海藻糖的稳定作用不仅体现在对静态结构的改善,更体现在升温前后动态波动幅度的降低。最后,本文对机械应力作用下的海藻糖/水/POPC双层膜体系进行了MD模拟,研究发现,横向压缩性应力的施加与脱水效果类似,而横向拉伸性应力则与提高水合程度类似。拉伸性应力作用下,海藻糖对膜的主要稳定机理是水替代效应。然而,压缩性应力作用下,由于磷脂头部暴露的氢键结合位点不足,水替代效应受到限制,此时海藻糖的主要作用机理是“水滞留效应”:当海藻糖含量较高(nTRE:nPOPC=1)时,磷脂头部结合的水分子中有20%以上同时与附近海藻糖形成氢键,因此这部分水分子相当于被磷脂和海藻糖分子形成的笼形空间捕获,不易扩散到溶液中,磷脂头部水合层更加稳定。本文揭示了海藻糖发挥水替代效应、体积效应和玻璃化效应的分子机制,并分别从溶液侧微观结构、磷脂头部偶极分布以及水合层稳定性的角度出发,提出抑制成核效应、电荷调节效应和水滞留效应作用机理。以上几种效应互不冲突,同时存在,只是不同的情况下各自能发挥的程度有所差异。本文的研究为海藻糖保护剂的优化使用提供了数据支持和理论参考,对新型低温保护剂和保护工艺的设计具有一定的启示意义。