中國(guó)粉體網(wǎng)10月18日訊 中科院上海應(yīng)用物理研究所黃慶、方海平、樊春海研究員與IBM沃森研究中心、哥倫比亞大學(xué)周如鴻教授組成的國(guó)際合作團(tuán)隊(duì)，將計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)驗(yàn)緊密結(jié)合起來(lái)，在石墨烯抗菌機(jī)制研究方面取得重要進(jìn)展，提出了石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜相互作用的一種分子機(jī)制，相關(guān)論文已于近日在線發(fā)表于《自然·納米技術(shù)》（Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/nnano.2013.125）。
上海應(yīng)物所物理生物學(xué)研究室樊春海、黃慶研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2010年在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)石墨烯的抗菌作用（ACS Nano，2010，4, 4317），即氧化石墨烯可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)外流并殺死細(xì)菌。由于這是一種潛在的沒(méi)有耐藥性的物理“抗生素”，該工作發(fā)表后立即引起了科技界的廣泛興趣，短短3年已有超過(guò)50篇石墨烯抗菌相關(guān)研究工作發(fā)表。然而，石墨烯如何通過(guò)與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用而產(chǎn)生強(qiáng)大的抗菌能力，一直缺乏清晰的圖景和明確的分子機(jī)制。
隨后，上海應(yīng)物所方海平團(tuán)隊(duì)開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)研究石墨烯抗菌的分子機(jī)制，其中上海應(yīng)用物理研究所的博士畢業(yè)生、上海大學(xué)的涂育松博士在模擬中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞，這意味著一種新的分子機(jī)制被發(fā)現(xiàn)。由于細(xì)菌細(xì)胞膜很復(fù)雜，氧化石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用需要大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，為此，方海平團(tuán)隊(duì)與周如鴻團(tuán)隊(duì)緊密合作，將上海超算中心與IBM藍(lán)色基因超級(jí)電腦的強(qiáng)大計(jì)算能力聯(lián)合起來(lái)，最終闡明了這種石墨烯抗菌的分子機(jī)制。
他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯不但可以通過(guò)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的插入進(jìn)行切割，還可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜上磷脂分子的大規(guī)模直接抽取，來(lái)破壞細(xì)胞膜從而殺死細(xì)菌。他們指出，正是石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使其可以與細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子發(fā)生超強(qiáng)的相互作用，從而導(dǎo)致大量磷脂分子脫離細(xì)胞膜并吸附到石墨烯的表面。物理生物學(xué)室則通過(guò)電鏡實(shí)驗(yàn)，直接觀察到了細(xì)菌細(xì)胞膜與氧化石墨烯作用后產(chǎn)生的大范圍空腔結(jié)構(gòu)，為理論計(jì)算結(jié)果提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這種提取細(xì)胞膜脂類分子從而破壞細(xì)胞膜的現(xiàn)象為揭示納米材料的細(xì)胞毒性及抗菌活性提供了一種全新的分子機(jī)制，將促進(jìn)石墨烯納米材料的生物效應(yīng)研究及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
雖然計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法功能強(qiáng)大（剛剛榮獲2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），但是石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用還是非常復(fù)雜的，其分子機(jī)制的全面闡述還需要長(zhǎng)期的研究。該工作邁出了重要的一步，因此發(fā)表后立即得到了眾多國(guó)際科學(xué)媒體的關(guān)注。如ChemistryWorld，BeforeIt'sNews，GrapheneWiki&News等網(wǎng)站均進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)與評(píng)論，提出這也許預(yù)示著石墨烯可以用于制造新型的抗菌“邦迪”（enable novel anti-bacterial band-aids）。
該項(xiàng)研究工作的理論部分是在方海平研究員、周如鴻教授指導(dǎo)下，由涂育松（上海應(yīng)物所博士，現(xiàn)工作于上海大學(xué)）、修鵬（上海應(yīng)物所博士，現(xiàn)工作于浙江大學(xué)）， Tien Huynh，Matteo Castelli等完成，實(shí)驗(yàn)部分由黃慶、樊春海研究員指導(dǎo)呂敏博士等完成。
該工作得到上海超算中心、國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、IBM藍(lán)色基因計(jì)劃的共同資助。
上海應(yīng)物所物理生物學(xué)研究室樊春海、黃慶研究員領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)于2010年在實(shí)驗(yàn)上首次發(fā)現(xiàn)石墨烯的抗菌作用（ACS Nano，2010，4, 4317），即氧化石墨烯可以破壞細(xì)菌的細(xì)胞膜，從而導(dǎo)致胞內(nèi)物質(zhì)外流并殺死細(xì)菌。由于這是一種潛在的沒(méi)有耐藥性的物理“抗生素”，該工作發(fā)表后立即引起了科技界的廣泛興趣，短短3年已有超過(guò)50篇石墨烯抗菌相關(guān)研究工作發(fā)表。然而，石墨烯如何通過(guò)與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用而產(chǎn)生強(qiáng)大的抗菌能力，一直缺乏清晰的圖景和明確的分子機(jī)制。
隨后，上海應(yīng)物所方海平團(tuán)隊(duì)開(kāi)始使用計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬來(lái)研究石墨烯抗菌的分子機(jī)制，其中上海應(yīng)用物理研究所的博士畢業(yè)生、上海大學(xué)的涂育松博士在模擬中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取導(dǎo)致細(xì)胞膜的破壞，這意味著一種新的分子機(jī)制被發(fā)現(xiàn)。由于細(xì)菌細(xì)胞膜很復(fù)雜，氧化石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用需要大規(guī)模分子動(dòng)力學(xué)模擬，為此，方海平團(tuán)隊(duì)與周如鴻團(tuán)隊(duì)緊密合作，將上海超算中心與IBM藍(lán)色基因超級(jí)電腦的強(qiáng)大計(jì)算能力聯(lián)合起來(lái)，最終闡明了這種石墨烯抗菌的分子機(jī)制。
他們發(fā)現(xiàn)，石墨烯不但可以通過(guò)對(duì)細(xì)菌細(xì)胞膜的插入進(jìn)行切割，還可以通過(guò)對(duì)細(xì)胞膜上磷脂分子的大規(guī)模直接抽取，來(lái)破壞細(xì)胞膜從而殺死細(xì)菌。他們指出，正是石墨烯獨(dú)特的二維結(jié)構(gòu)使其可以與細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子發(fā)生超強(qiáng)的相互作用，從而導(dǎo)致大量磷脂分子脫離細(xì)胞膜并吸附到石墨烯的表面。物理生物學(xué)室則通過(guò)電鏡實(shí)驗(yàn)，直接觀察到了細(xì)菌細(xì)胞膜與氧化石墨烯作用后產(chǎn)生的大范圍空腔結(jié)構(gòu)，為理論計(jì)算結(jié)果提供了實(shí)驗(yàn)證據(jù)。這種提取細(xì)胞膜脂類分子從而破壞細(xì)胞膜的現(xiàn)象為揭示納米材料的細(xì)胞毒性及抗菌活性提供了一種全新的分子機(jī)制，將促進(jìn)石墨烯納米材料的生物效應(yīng)研究及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。
雖然計(jì)算機(jī)分子動(dòng)力學(xué)模擬方法功能強(qiáng)大（剛剛榮獲2013年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)），但是石墨烯與細(xì)菌細(xì)胞膜的相互作用還是非常復(fù)雜的，其分子機(jī)制的全面闡述還需要長(zhǎng)期的研究。該工作邁出了重要的一步，因此發(fā)表后立即得到了眾多國(guó)際科學(xué)媒體的關(guān)注。如ChemistryWorld，BeforeIt'sNews，GrapheneWiki&News等網(wǎng)站均進(jìn)行了報(bào)導(dǎo)與評(píng)論，提出這也許預(yù)示著石墨烯可以用于制造新型的抗菌“邦迪”（enable novel anti-bacterial band-aids）。
該項(xiàng)研究工作的理論部分是在方海平研究員、周如鴻教授指導(dǎo)下，由涂育松（上海應(yīng)物所博士，現(xiàn)工作于上海大學(xué)）、修鵬（上海應(yīng)物所博士，現(xiàn)工作于浙江大學(xué)）， Tien Huynh，Matteo Castelli等完成，實(shí)驗(yàn)部分由黃慶、樊春海研究員指導(dǎo)呂敏博士等完成。
該工作得到上海超算中心、國(guó)家科技部“973”項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金、IBM藍(lán)色基因計(jì)劃的共同資助。
