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Nature子刊:科学家揭示石墨烯破坏细菌细胞膜的机制

来源:浙大新闻办 2013-07-15 16:12

周如鸿作为浙江大学思源讲座教授、IBM沃森研究中心高级研究员、哥伦比亚大学兼职教授,联合上海大学、中科院上海应用物理研究所、IBM沃森研究中心、浙江大学等单位的研究人员,开展了揭示石墨烯破坏细菌细胞膜的机制的研究,浙江大学工程力学系青年教师修鹏参与了联合研究。

石墨烯作为一种新型的二维超薄纳米材料,以其独特的结构、力学和电子性质,在药物投递、肿瘤治疗等生物纳米技术领域有着广泛的应用前景。

磷脂分子是组成细菌细胞膜的基本成分,它起着保护细胞质和细胞核,阻挡外界伤害该细胞的作用。研究人员通过计算机模拟结合电子显微镜技术发现,当石墨烯接触到细菌的细胞膜后,能诱导细菌细胞膜上的磷脂分子“移情别恋”——脱离细胞膜并“攀爬”上石墨烯表面。基于分子动力学模拟的理论分析揭示出,石墨烯独特的二维结构使其可以与细菌细胞膜上的磷脂分子发生很强的色散相互作用,从而实现石墨烯对细胞膜上磷脂分子的大规模直接抽取。这样,石墨烯通过物理作用杀死细菌,为开发新型抗耐药的“绿色”抗生素提供了可能,如研制以石墨烯和氧化石墨烯为原料的新型“石墨烯创可贴”等。

需要指出的是,哺乳类动物比如人类都具有血液循环系统,内含丰富的血清蛋白,它们可以和石墨烯形成“蛋白外包体”,从而阻止石墨烯直接伤害到人体细胞膜;而细菌细胞膜则因为没有“保护者”,所以容易被石墨烯“杀死”。

目前,本研究通过理论预测与实验验证相结合的方式,为进一步开发没有耐药性的抗生素提供了极其关键的分子机制,同时也为设计具有更好生物兼容性的石墨烯提供了理论基础。据悉,科学家已经在开始测试这个“石墨烯创可贴”的想法,并成功制备了耐清洗和具有长时间抗菌能力的石墨烯棉布。当然它对人体可能潜在的副作用还需要更进一步的研究。(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.

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