石墨烯抗菌的分子机制研究取得重要进展

2013/10/17 | 【 【打印】【关闭】 | 访问次数:

上海应用物理研究所黄庆、方海平、樊春海研究员与IBM沃森研究中心、哥伦比亚大学周如鸿教授组成的国际合作团队,将计算机模拟与实验紧密结合起来,在石墨烯抗菌机制研究方面取得重要进展,提出了石墨烯与细菌细胞膜相互作用的一种分子机制,相关论文已于近日在线发表于《自然·纳米技术》杂志(Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/nnano.2013.125)。 

我所物理生物学研究室樊春海、黄庆研究员领导的团队于2010年在实验上首次发现石墨烯的抗菌作用(ACS Nano,2010,4, 4317),即氧化石墨烯可以破坏细菌的细胞膜,从而导致胞内物质外流并杀死细菌。由于这是一种潜在的没有耐药性的物理“抗生素”,该工作发表后立即引起了科技界的广泛兴趣,短短3年已有超过50篇石墨烯抗菌相关研究工作发表。然而,石墨烯如何通过与细菌细胞膜的相互作用而产生强大的抗菌能力,一直缺乏清晰的图景和明确的分子机制。 

随后,我所方海平团队开始使用计算机分子动力学模拟来研究石墨烯抗菌的分子机制,其中上海应用物理研究所的博士毕业生、上海大学的涂育松博士在模拟中发现了细胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取导致细胞膜的破坏,这意味着一种新的分子机制被发现。由于细菌细胞膜很复杂,氧化石墨烯与细菌细胞膜的相互作用需要大规模分子动力学模拟,为此,方海平团队与周如鸿团队紧密合作,将上海超算中心与IBM蓝色基因超级电脑的强大计算能力联合起来,最终阐明了这种石墨烯抗菌的分子机制。他们发现石墨烯不但可以通过对细菌细胞膜的插入进行切割,还可以通过对细胞膜上磷脂分子的大规模直接抽取,来破坏细胞膜从而杀死细菌。他们指出,正是石墨烯独特的二维结构使其可以与细菌细胞膜上的磷脂分子发生超强的相互作用,从而导致大量磷脂分子脱离细胞膜并吸附到石墨烯的表面。物理生物学室则通过电镜实验,直接观察到了细菌细胞膜与氧化石墨烯作用后产生的大范围空腔结构,为理论计算结果提供了实验证据。这种提取细胞膜脂类分子从而破坏细胞膜的现象为揭示纳米材料的细胞毒性及抗菌活性提供了一种全新的分子机制,将促进石墨烯纳米材料的生物效应研究及生物医学应用。例如,近日物理生物学研究室与本所李景烨研究员合作,成功制备了耐清洗和具有长时间抗菌能力的石墨烯棉布,就是石墨烯纳米材料在抗菌方面的一个典型应用(Adv. Healthcare Mater. 2013,DOI: 10.1002/adhm.201200437)。 

虽然计算机分子动力学模拟方法功能强大(刚刚荣获2013年诺贝尔化学奖),但是石墨烯与细菌细胞膜的相互作用还是非常复杂的,其分子机制的全面阐述还需要长期的研究。该工作迈出了重要的一步,因此发表后立即得到了众多国际科学媒体的关注。如ChemistryWorld,BeforeIt'sNews,GrapheneWiki&News等网站均进行了报导与评论,提出这也许预示着石墨烯可以用于制造新型的抗菌“邦迪”(enable novel anti-bacterial band-aids)。 

    该项研究工作的理论部分是在方海平研究员、周如鸿教授指导下,由涂育松(我所博士,现工作于上海大学)、修鹏(我所博士,现工作于浙江大学), Tien Huynh,Matteo Castelli等完成,实验部分由黄庆、樊春海研究员指导吕敏博士等完成。该工作得到上海超算中心、国家科技部973项目、国家自然科学基金、IBM蓝色基因计划的共同资助。(物理生物学研究室 供稿)

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