周如鴻作為浙江大學(xué)思源講座教授,、IBM沃森研究中心高級(jí)研究員,、哥倫比亞大學(xué)兼職教授,，聯(lián)合上海大學(xué),、中科院上海應(yīng)用物理研究所,、IBM沃森研究中心、浙江大學(xué)等單位的研究人員,，開(kāi)展了揭示石墨烯破壞細(xì)菌細(xì)胞膜的機(jī)制的研究,，浙江大學(xué)工程力學(xué)系青年教師修鵬參與了聯(lián)合研究。
石墨烯作為一種新型的二維超薄納米材料,，以其獨(dú)特的結(jié)構(gòu),、力學(xué)和電子性質(zhì),，在藥物投遞、腫瘤治療等生物納米技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景,。
磷脂分子是組成細(xì)菌細(xì)胞膜的基本成分,，它起著保護(hù)細(xì)胞質(zhì)和細(xì)胞核，阻擋外界傷害該細(xì)胞的作用,。研究人員通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬結(jié)合電子顯微鏡技術(shù)發(fā)現(xiàn),，當(dāng)石墨烯接觸到細(xì)菌的細(xì)胞膜后，能誘導(dǎo)細(xì)菌細(xì)胞膜上的磷脂分子“移情別戀”——脫離細(xì)胞膜并“攀爬”上石墨烯表面,?；诜肿觿?dòng)力學(xué)模擬的理論分析揭示出，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)生很強(qiáng)的色散相互作用,，從而實(shí)現(xiàn)石墨烯對(duì)細(xì)胞膜上磷脂分子的大規(guī)模直接抽取,。這樣，石墨烯通過(guò)物理作用殺死細(xì)菌,，為開(kāi)發(fā)新型抗耐藥的“綠色”抗生素提供了可能,，如研制以石墨烯和氧化石墨烯為原料的新型“石墨烯創(chuàng)可貼”等。
需要指出的是,，哺乳類動(dòng)物比如人類都具有血液循環(huán)系統(tǒng),，內(nèi)含豐富的血清蛋白，它們可以和石墨烯形成“蛋白外包體”,，從而阻止石墨烯直接傷害到人體細(xì)胞膜;而細(xì)菌細(xì)胞膜則因?yàn)闆](méi)有“保護(hù)者”,，所以容易被石墨烯“殺死”。
目前,，本研究通過(guò)理論預(yù)測(cè)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式,，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)沒(méi)有耐藥性的抗生素提供了極其關(guān)鍵的分子機(jī)制，同時(shí)也為設(shè)計(jì)具有更好生物兼容性的石墨烯提供了理論基礎(chǔ),。據(jù)悉,，科學(xué)家已經(jīng)在開(kāi)始測(cè)試這個(gè)“石墨烯創(chuàng)可貼”的想法，并成功制備了耐清洗和具有長(zhǎng)時(shí)間抗菌能力的石墨烯棉布,。當(dāng)然它對(duì)人體可能潛在的副作用還需要更進(jìn)一步的研究,。（生物谷 Bioon.com）
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Nature Nanotechnology doi:10.1038/nnano.2013.125
Destructive extraction of phospholipids fromEscherichia coli membranes by graphene nanosheets
Yusong Tu, Min Lv, Peng Xiu, Tien Huynh, Meng Zhang
Understanding how nanomaterials interact with cell membranes is related to how they cause cytotoxicity and is therefore critical for designing safer biomedical applications. Recently, graphene (a two-dimensional nanomaterial) was shown to have antibacterial activity on Escherichia coli, but its underlying molecular mechanisms remain unknown. Here we show experimentally and theoretically that pristine graphene and graphene oxide nanosheets can induce the degradation of the inner and outer cell membranes of Escherichia coli, and reduce their viability. Transmission electron microscopy shows three rough stages, and molecular dynamics simulations reveal the atomic details of the process. Graphene nanosheets can penetrate into and extract large amounts of phospholipids from the cell membranes because of the strong dispersion interactions between graphene and lipid molecules. This destructive extraction offers a novel mechanism for the molecular basis of graphene's cytotoxicity and antibacterial activity.
