新型抗菌剂来了！天河二号揭秘新材料发现
导 读
细菌感染及其耐药性问题是世界上最大公共卫生威胁之一，如何增强抗菌活性同时尽可能减少环境毒性成为关键问题之一。铜抗菌活性自古就为人所知，然而，过量铜离子具有极强毒性而威胁环境安全。当前，如何选择性地增强抗菌活性并同时尽可能减弱对环境的危害仍然具有挑战性。
近日，基于“天河二号”计算模拟，国内专家团队利用铜离子功能化石墨烯实现了显著的选择性抗菌活性，极大地增强石墨烯抗菌活性同时对哺乳动物细胞表现为无毒性，相比环境铜离子而言，其抗菌活性提升约220倍。相关研究成果发表在国际材料学权威期刊《Advanced Functional Materials》。
碳基纳米材料在纳米技术、生物医学和环境中的应用日益广泛。这些纳米材料，如零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯的抗菌活性和相关的细胞相互作用一直是人们关注的焦点。对于功能化石墨烯的抗菌活性，科学家们已经做出了许多努力，但是发现与石墨烯相比，这些功能化的石墨烯的抗菌活性增强的效率十分有限。
探索rGO-Cu复合材料
发现显著抗菌活性
近日，扬州大学涂育松教授课题组与复旦大学谭砚文教授课题组合作，依托广州超算的“天河二号”超级计算机，通过结合量子化学的结构优化和大规模分子动力学模拟，探索铜离子官能化地还原氧化石墨烯（rGO-Cu）的抗菌活性。在这项工作中，研究人员在实验中发现rGO-Cu明显地增强了选择抗菌活性，而对环境无毒害。这种抗菌活性比rGO本身强得多，并且比溶液环境中的铜离子高出两个数量级。
研究人员向硫酸铜溶液中添加了少量的rGO悬浮液（40µg/mL rGO和100µM CuSO4），菌落实验结果表明，该复合溶液具有出色的抗菌活性（图1A），而rGO自身几乎不提供抗菌效果。因此，rGO-Cu复合溶液比rGO溶液本身具有更强的抗菌活性。此外，rGO-Cu复合材料的抗菌活性至少比溶液中周围铜离子的抗菌活性高220倍，提高了两个数量级（图1B）。研究人员测量了残留在溶液中的铜离子，发现周围铜离子的浓度非常低，低于约0.5µM，这表明rGO能够强烈吸附铜离子并形成rGO-Cu复合材料，而不会对环境产生不利影响。
图1 rGO-Cu的抗菌活性
计算模拟验证rGO-Cu的抗菌机制
为了深入了解其固有的抗菌机制，研究人员进行了密度泛函理论（DFT）计算和分子动力学（MD）模拟。如图2所示，量子化学计算表明，rGO-Cu复合物的显著的选择性抗菌活性主要归因于rGO通过阳离子-π相互作用与铜离子功能化，从而大量吸附铜离子并形成rGO-Cu复合物，显著降低周围铜离子的浓度（小于0.5µM）。
图2 还原氧化石墨烯和rGO-Cu复合材料
与铜离子的吸附相互作用
研究人员通过大规模分子动力学模拟进一步分析了rGO-Cu复合材料和rGO与细菌细胞膜的相互作用，发现rGO上的这些铜离子带正电，与带负电的细菌细胞产生强烈的相互作用，而不是中性电荷的哺乳动物细胞膜表面，从而选择性地实现抗菌活性。rGO具有将铜离子快速递送和组装到细菌细胞膜上的功能，从而大大增强了抗菌活性，如图3所示。
图3 (A,B)细胞膜间相互作用的典型分子动力学轨迹
(C)细胞膜与rGO-Cu复合材料和rGO相互作用能的时间演化图
“天河二号”助力新型抗菌材料的研发
研究人员根据在“天河二号”上计算模拟进行了理论分析，发现铜离子功能化的石墨烯明显地增强了选择抗菌活性。石墨烯本身易制备同时还可通过离心或过滤等简单手段容易移除，因此利用铜离子功能化石墨烯的抗菌机制在设计制备廉价，方便，高效，广谱和环保的抗菌材料中具有巨大应用前景。
涂育松教授表示，“该项工作的理论计算模拟全部依托广州‘天河二号’超级计算机完成。我们非常高效的实现了铜离子功能化石墨烯这种新型抗菌材料的构型搜索和结构优化，完成了抗菌材料和细胞膜相互作用的这种大规模分子动力学的模拟和数据分析。这都得益于‘天河二号’高效并行环境的支持与大容量存储，才可以顺利完成。”
超级计算机是人类探索世界的创新利器，使重大科研攻关如虎添翼。依托“天河二号”，广州超算将继续为新材料新能源、生物医药、航空航天、海洋气象等多个应用领域的用户提供优质计算资源和便捷的应用平台，为科学发现提供强大的超算“超”能力。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202008018
热门文章推荐
▲超算动态！瑞士超算“阿尔卑斯”将采用NVIDIA基于Arm架构的CPU
▲巾帼力量！超算中心主任卢宇彤教授荣获“全国三八红旗手”
▲“国考”放榜！天河二号为全国三级公立医院绩效考核提速
— — NSCC-GZ — —
特别鸣谢：涂育松教授团队
整理：卢慧中
微信编辑：霍志昕
初审：王栋审核：万园园审核发布：李奈青