上海英武研究所石墨烯抗菌活性的分子機制研究進展

上海英武研究所石墨烯抗菌活性的分子機制研究進展

中國科學院上海應用物理研究所的黃青、方海平、范春海，與IBM華生研究中心、哥倫比亞大學周汝紅教授一起，將計算機模擬與實驗相結合，在石墨烯抗菌機理的研究方面取得了重要進展。提出了石墨烯與細菌細胞膜相互作用的分子機理，該論文最近在《自然納米技術》（Nature Nanotechnology）上發表。2013.125）。

2010年，由上海英武研究所物理與生物研究實驗室的范春海、黃青等研究人員帶領的研究小組首次發現了石墨烯（ACS Nano，2010，4，4317）的抗菌作用，即氧化石墨烯能破壞細菌的細胞膜，導致細胞內物質和Ki的流出。由于它是一種潛在的非耐藥物理抗生素，這項工作立即引起了科學技術界的廣泛興趣。在短短的三年時間里，已有50多篇關于石墨烯類抗生素的研究發表，然而，石墨烯如何與細菌細胞膜相互作用，產生強烈的抗菌活性卻缺乏清晰的圖景和清晰的分子機制。

隨后，上海英武研究所方海平小組開始利用計算機分子動力學模擬研究石墨烯抗菌活性的分子機理。在模擬實驗中，上海應用物理研究所博士研究生涂玉松博士和上海大學涂玉松博士發現，石墨烯可以提取細胞膜上的磷脂分子，并導致細胞膜的破壞，這意味著由于石墨烯的存在，目前已開發出一種新的分子機制。細菌細胞膜的復雜性、氧化石墨烯與細菌細胞膜的相互作用需要大規模的分子動力學模擬。為此，方海平團隊與周如紅團隊緊密合作，將上海超級計算中心強大的計算能力與IBM藍基因超級計算機相結合，最終闡明了石墨烯抗菌活性的分子機理。

他們發現石墨烯不僅可以通過切斷細菌細胞膜的插入來殺滅細菌，而且可以通過大規模直接提取細胞膜上的磷脂分子來破壞細胞膜，他們指出石墨烯獨特的二維結構使其能夠與熒光粉發生強烈的相互作用。細菌細胞膜上的磷脂分子，導致大量磷脂分子從細胞膜上分離并吸附到石墨烯表面，在物理生物學實驗室中，細菌細胞膜與氧化石墨烯相互作用產生的大空腔結構可直接觀察到。電子顯微鏡為理論計算結果提供了實驗依據，這種從細胞膜中提取脂質分子并破壞細胞膜的現象為揭示納米材料的細胞毒性和抗菌活性提供了一種新的分子機制。這將促進石墨烯納米材料的生物學效應和生物醫學應用研究。

雖然計算機分子動力學模擬方法很強大（剛剛獲得2013年諾貝爾化學獎），但石墨烯與細菌細胞膜之間的相互作用仍然非常復雜，其分子機理的綜合闡述還需要長期的研究，這項工作已經邁出了重要的一步，因此受到了廣泛的關注。許多國際科學媒體在其出版后立即引起關注。化學世界、Beforeit's News和石墨烯維基新聞等網站已經報道和評論，表明石墨烯可能被用來制造新的使能新型抗菌帶艾滋病。

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