中國粉體網10月18日訊 中科院上海應用物理研究所黃慶、方海平、樊春海研究員與IBM沃森研究中心、哥倫比亞大學周如鴻教授組成的國際合作團隊，將計算機模擬與實驗緊密結合起來，在石墨烯抗菌機制研究方面取得重要進展，提出了石墨烯與細菌細胞膜相互作用的一種分子機制，相關論文已于近日在線發表于《自然·納米技術》（Nature Nanotechnology, DOI:10.1038/nnano.2013.125）。
上海應物所物理生物學研究室樊春海、黃慶研究員領導的團隊于2010年在實驗上首次發現石墨烯的抗菌作用（ACS Nano，2010，4, 4317），即氧化石墨烯可以破壞細菌的細胞膜，從而導致胞內物質外流并殺死細菌。由于這是一種潛在的沒有耐藥性的物理“抗生素”，該工作發表后立即引起了科技界的廣泛興趣，短短3年已有超過50篇石墨烯抗菌相關研究工作發表。然而，石墨烯如何通過與細菌細胞膜的相互作用而產生強大的抗菌能力，一直缺乏清晰的圖景和明確的分子機制。
隨后，上海應物所方海平團隊開始使用計算機分子動力學模擬來研究石墨烯抗菌的分子機制，其中上海應用物理研究所的博士畢業生、上海大學的涂育松博士在模擬中發現了細胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取導致細胞膜的破壞，這意味著一種新的分子機制被發現。由于細菌細胞膜很復雜，氧化石墨烯與細菌細胞膜的相互作用需要大規模分子動力學模擬，為此，方海平團隊與周如鴻團隊緊密合作，將上海超算中心與IBM藍色基因超級電腦的強大計算能力聯合起來，最終闡明了這種石墨烯抗菌的分子機制。
他們發現，石墨烯不但可以通過對細菌細胞膜的插入進行切割，還可以通過對細胞膜上磷脂分子的大規模直接抽取，來破壞細胞膜從而殺死細菌。他們指出，正是石墨烯獨特的二維結構使其可以與細菌細胞膜上的磷脂分子發生超強的相互作用，從而導致大量磷脂分子脫離細胞膜并吸附到石墨烯的表面。物理生物學室則通過電鏡實驗，直接觀察到了細菌細胞膜與氧化石墨烯作用后產生的大范圍空腔結構，為理論計算結果提供了實驗證據。這種提取細胞膜脂類分子從而破壞細胞膜的現象為揭示納米材料的細胞毒性及抗菌活性提供了一種全新的分子機制，將促進石墨烯納米材料的生物效應研究及生物醫學應用。
雖然計算機分子動力學模擬方法功能強大（剛剛榮獲2013年諾貝爾化學獎），但是石墨烯與細菌細胞膜的相互作用還是非常復雜的，其分子機制的全面闡述還需要長期的研究。該工作邁出了重要的一步，因此發表后立即得到了眾多國際科學媒體的關注。如ChemistryWorld，BeforeIt'sNews，GrapheneWiki&News等網站均進行了報導與評論，提出這也許預示著石墨烯可以用于制造新型的抗菌“邦迪”（enable novel anti-bacterial band-aids）。
該項研究工作的理論部分是在方海平研究員、周如鴻教授指導下，由涂育松（上海應物所博士，現工作于上海大學）、修鵬（上海應物所博士，現工作于浙江大學）， Tien Huynh，Matteo Castelli等完成，實驗部分由黃慶、樊春海研究員指導呂敏博士等完成。
該工作得到上海超算中心、國家科技部“973”項目、國家自然科學基金、IBM藍色基因計劃的共同資助。
上海應物所物理生物學研究室樊春海、黃慶研究員領導的團隊于2010年在實驗上首次發現石墨烯的抗菌作用（ACS Nano，2010，4, 4317），即氧化石墨烯可以破壞細菌的細胞膜，從而導致胞內物質外流并殺死細菌。由于這是一種潛在的沒有耐藥性的物理“抗生素”，該工作發表后立即引起了科技界的廣泛興趣，短短3年已有超過50篇石墨烯抗菌相關研究工作發表。然而，石墨烯如何通過與細菌細胞膜的相互作用而產生強大的抗菌能力，一直缺乏清晰的圖景和明確的分子機制。
隨后，上海應物所方海平團隊開始使用計算機分子動力學模擬來研究石墨烯抗菌的分子機制，其中上海應用物理研究所的博士畢業生、上海大學的涂育松博士在模擬中發現了細胞膜上的磷脂分子可以被石墨烯抽取導致細胞膜的破壞，這意味著一種新的分子機制被發現。由于細菌細胞膜很復雜，氧化石墨烯與細菌細胞膜的相互作用需要大規模分子動力學模擬，為此，方海平團隊與周如鴻團隊緊密合作，將上海超算中心與IBM藍色基因超級電腦的強大計算能力聯合起來，最終闡明了這種石墨烯抗菌的分子機制。
他們發現，石墨烯不但可以通過對細菌細胞膜的插入進行切割，還可以通過對細胞膜上磷脂分子的大規模直接抽取，來破壞細胞膜從而殺死細菌。他們指出，正是石墨烯獨特的二維結構使其可以與細菌細胞膜上的磷脂分子發生超強的相互作用，從而導致大量磷脂分子脫離細胞膜并吸附到石墨烯的表面。物理生物學室則通過電鏡實驗，直接觀察到了細菌細胞膜與氧化石墨烯作用后產生的大范圍空腔結構，為理論計算結果提供了實驗證據。這種提取細胞膜脂類分子從而破壞細胞膜的現象為揭示納米材料的細胞毒性及抗菌活性提供了一種全新的分子機制，將促進石墨烯納米材料的生物效應研究及生物醫學應用。
雖然計算機分子動力學模擬方法功能強大（剛剛榮獲2013年諾貝爾化學獎），但是石墨烯與細菌細胞膜的相互作用還是非常復雜的，其分子機制的全面闡述還需要長期的研究。該工作邁出了重要的一步，因此發表后立即得到了眾多國際科學媒體的關注。如ChemistryWorld，BeforeIt'sNews，GrapheneWiki&News等網站均進行了報導與評論，提出這也許預示著石墨烯可以用于制造新型的抗菌“邦迪”（enable novel anti-bacterial band-aids）。
該項研究工作的理論部分是在方海平研究員、周如鴻教授指導下，由涂育松（上海應物所博士，現工作于上海大學）、修鵬（上海應物所博士，現工作于浙江大學）， Tien Huynh，Matteo Castelli等完成，實驗部分由黃慶、樊春海研究員指導呂敏博士等完成。
該工作得到上海超算中心、國家科技部“973”項目、國家自然科學基金、IBM藍色基因計劃的共同資助。
