上海英武研究所石墨烯抗菌活性的分子机制研究进展

上海英武研究所石墨烯抗菌活性的分子机制研究进展

中国科学院上海应用物理研究所的黄青、方海平、范春海，与IBM华生研究中心、哥伦比亚大学周汝红教授一起，将计算机模拟与实验相结合，在石墨烯抗菌机理的研究方面取得了重要进展。提出了石墨烯与细菌细胞膜相互作用的分子机理，该论文最近在《自然纳米技术》（Nature Nanotechnology）上发表。2013.125）。

2010年，由上海英武研究所物理与生物研究实验室的范春海、黄青等研究人员带领的研究小组首次发现了石墨烯（ACS Nano，2010，4，4317）的抗菌作用，即氧化石墨烯能破坏细菌的细胞膜，导致细胞内物质和Ki的流出。由于它是一种潜在的非耐药物理抗生素，这项工作立即引起了科学技术界的广泛兴趣。在短短的三年时间里，已有50多篇关于石墨烯类抗生素的研究发表，然而，石墨烯如何与细菌细胞膜相互作用，产生强烈的抗菌活性却缺乏清晰的图景和清晰的分子机制。

随后，上海英武研究所方海平小组开始利用计算机分子动力学模拟研究石墨烯抗菌活性的分子机理。在模拟实验中，上海应用物理研究所博士研究生涂玉松博士和上海大学涂玉松博士发现，石墨烯可以提取细胞膜上的磷脂分子，并导致细胞膜的破坏，这意味着由于石墨烯的存在，目前已开发出一种新的分子机制。细菌细胞膜的复杂性、氧化石墨烯与细菌细胞膜的相互作用需要大规模的分子动力学模拟。为此，方海平团队与周如红团队紧密合作，将上海超级计算中心强大的计算能力与IBM蓝基因超级计算机相结合，最终阐明了石墨烯抗菌活性的分子机理。

他们发现石墨烯不仅可以通过切断细菌细胞膜的插入来杀灭细菌，而且可以通过大规模直接提取细胞膜上的磷脂分子来破坏细胞膜，他们指出石墨烯独特的二维结构使其能够与荧光粉发生强烈的相互作用。细菌细胞膜上的磷脂分子，导致大量磷脂分子从细胞膜上分离并吸附到石墨烯表面，在物理生物学实验室中，细菌细胞膜与氧化石墨烯相互作用产生的大空腔结构可直接观察到。电子显微镜为理论计算结果提供了实验依据，这种从细胞膜中提取脂质分子并破坏细胞膜的现象为揭示纳米材料的细胞毒性和抗菌活性提供了一种新的分子机制。这将促进石墨烯纳米材料的生物学效应和生物医学应用研究。

虽然计算机分子动力学模拟方法很强大（刚刚获得2013年诺贝尔化学奖），但石墨烯与细菌细胞膜之间的相互作用仍然非常复杂，其分子机理的综合阐述还需要长期的研究，这项工作已经迈出了重要的一步，因此受到了广泛的关注。许多国际科学媒体在其出版后立即引起关注。化学世界、Beforeit's News和石墨烯维基新闻等网站已经报道和评论，表明石墨烯可能被用来制造新的使能新型抗菌带艾滋病。

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