上海英武研究所石墨烯抗菌活性的分子機(jī)制研究進(jìn)展
上海英武研究所石墨烯抗菌活性的分子機(jī)制研究進(jìn)展
中國科學(xué)院上海應(yīng)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(xué)周汝紅教授一起，將計算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，在石墨烯抗菌機(jī)理的研究方面取得了重要進(jìn)展。提出了石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用的分子機(jī)理，該論文最近在《自然納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology）上發(fā)表。2013.125）。
2010年，由上海英武研究所物理與生物研究實(shí)驗(yàn)室的范春海、黃青等研究人員帶領(lǐng)的研究小組首次發(fā)現(xiàn)了石墨烯（ACS Nano，2010，4，4317）的抗菌作用，即氧化石墨烯能破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)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(xué)技術(shù)界的廣泛興趣。在短短的三年時間里，已有50多篇關(guān)于石墨烯類抗生素的研究發(fā)表，然而，石墨烯如何與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用，產(chǎn)生強(qiáng)烈的抗菌活性卻缺乏清晰的圖景和清晰的分子機(jī)制。
隨后，上海英武研究所方海平小組開始利用計算機(jī)分子動力學(xué)模擬研究石墨烯抗菌活性的分子機(jī)理。在模擬實(shí)驗(yàn)中，上海應(yīng)用物理研究所博士研究生涂玉松博士和上海大學(xué)涂玉松博士發(fā)現(xiàn)，石墨烯可以提取細(xì)胞膜上的磷脂分子，并導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞，這意味著由于石墨烯的存在，目前已開發(fā)出一種新的分子機(jī)制。細(xì)菌細(xì)胞膜的復(fù)雜性、氧化石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用需要大規(guī)模的分子動力學(xué)模擬。為此，方海平團(tuán)隊與周如紅團(tuán)隊緊密合作，將上海超級計算中心強(qiáng)大的計算能力與IBM藍(lán)基因超級計算機(jī)相結(jié)合，最終闡明了石墨烯抗菌活性的分子機(jī)理。
他們發(fā)現(xiàn)石墨烯不僅可以通過切斷細(xì)菌細(xì)胞膜的插入來殺滅細(xì)菌，而且可以通過大規(guī)模直接提取細(xì)胞膜上的磷脂分子來破壞細(xì)胞膜，他們指出石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使其能夠與熒光粉發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用。細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子，導(dǎo)致大量磷脂分子從細(xì)胞膜上分離并吸附到石墨烯表面，在物理生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，細(xì)菌細(xì)胞膜與氧化石墨烯相互作用產(chǎn)生的大空腔結(jié)構(gòu)可直接觀察到。電子顯微鏡為理論計算結(jié)果提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)，這種從細(xì)胞膜中提取脂質(zhì)分子并破壞細(xì)胞膜的現(xiàn)象為揭示納米材料的細(xì)胞毒性和抗菌活性提供了一種新的分子機(jī)制。這將促進(jìn)石墨烯納米材料的生物學(xué)效應(yīng)和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用研究。
雖然計算機(jī)分子動力學(xué)模擬方法很強(qiáng)大（剛剛獲得2013年諾貝爾化學(xué)獎），但石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜之間的相互作用仍然非常復(fù)雜，其分子機(jī)理的綜合闡述還需要長期的研究，這項工作已經(jīng)邁出了重要的一步，因此受到了廣泛的關(guān)注。許多國際科學(xué)媒體在其出版后立即引起關(guān)注?；瘜W(xué)世界、Beforeit's News和石墨烯維基新聞等網(wǎng)站已經(jīng)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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