石墨炔和氧化石墨炔的抗菌活性和作用机制丨CellPress论文速递

石墨炔（graphdiyne, GDY）作为一种新型二维碳纳米材料，在2010年由李玉良院士团队率先合成报道。由于其独特的结构和优异的理化性质，GDY在机械、电池、催化以及能源储存等诸多领域有着广阔的应用前景。然而，GDY及其衍生物在抗菌领域中的应用还未见有报道。

近日，内蒙古大学董阿力德尔图教授，吉林大学杨英威教授，以及中科院化学所李玉良院士团队李勇军研究员在Cell Press旗下iScience期刊上发表题为“2D Graphdiyne Oxide Serves as a Superior New Generation of Antibacterial Agents”的研究论文，首次报道了石墨炔（GDY）和氧化石墨炔（GDYO）具有抗菌活性，并对其抗菌机理进行了探究（图1）。

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图1. GDYO在可见光作用下的抗菌作用示意图

自人类诞生以来，与致病菌的斗争就从未停歇。抗菌剂的问世拯救了无数人的生命，也对致病性引起的感染性疾病的预防与治疗起到至关重要的作用。然而，随着抗菌剂的滥用，导致多种引起人类疾病的细菌产生了耐药性，且耐药性的发展趋势越发严重，越来越多的单药和多药耐药菌被发现。耐药菌的出现对人类公共卫生安全提出了严峻的挑战，也向世人敲响警钟，研制开发新型高效抗菌剂迫在眉睫。与传统抗生素相比，纳米抗菌剂由于其强效广谱抗菌、兼备多种抗菌机理、不易产生细菌耐药性等诸多优点受到人们的高度关注。

该研究采用一步法对二维石墨炔（GDY）表面进行氧化处理，得到氧化石墨炔（GDYO），并探索了GDY和GDYO抗菌活性。研究结果发现，GDY和GDYO对革兰氏阳性菌金黄色葡萄球菌（S. aureus）和革兰氏阴性菌大肠杆菌（E. coli）均有抗菌活性（图2）。对比发现，相对于GDY，GDYO对两种指示菌具有更高的抗菌活性。

图2. GDY和GDYO的抗菌性能

随后，研究团队通过ESR测试证明GDY和GDYO在光照条件中产生•OH，•O2−，1O2，H2O2等多种ROS活性氧，并通过捕获抗菌实验证明了1O2在抗菌过程中起到至关重要的作用（图3）。此外，研究发现GDYO在黑暗条件下仍能呈现一定的抗菌活性，通过抗菌机理探究发现，GDYO在未产生ROS条件下可通过物理破坏实现细菌致死。

图3. GDYO的捕获抗菌实验结果

该研究首次报道了GDY和GDYO的抗菌活性，研究成果为石墨炔及其衍生物在生物医用方面的实际应用提供了理论依据。内蒙古大学硕士研究生张亚娜为该论文第一作者，内蒙古大学董阿力德尔图教授，吉林大学杨英威教授，以及中科院化学所李玉良院士团队李勇军研究员为共同通讯作者。该研究得到了国家然科学基金、国家重点实验室开放课题、内蒙古自然科学基金、内蒙古大学高层次引进人才启动基金、吉林省省校共建项目–新材料专项、吉林大学培英工程计划等的大力支持。

论文主要作者介绍

关于 李玉良 研究员

李玉良，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院有机固体重点实验室副主任。1972开始曾于北京化工学院基本有机合成专业学习。1975年起任职于中国科学院化学研究所。1988至1989年曾在荷兰阿姆斯特丹大学有机化学实验室担任访问学者。1998至1999年在香港大学化学系担任访问教授。1999至2000年在美国圣母大学放射化学实验室光化学和物理实验室担任访问教授。1996年起担任中国科学院化学研究所研究员。2002年和2005年分别获得国家自然科学二等奖，1999年获得中国科学院自然科学二等奖，2004年获北京市科学技术奖（自然科学）一等奖。其研究方向包括：有机和无机/有机杂化超分子聚集态结构,富勒烯化学；有机纳米结构和材料,主要是设计、合成具有光电活性的有机及有机高聚物材料、无机/有机聚集态结构材料及共轭高聚物材料等。

相关论文信息

论文原文刊载于Cell Press细胞出版社旗下期刊iScience上，点击“阅读原文”或扫描下方二维码查看论文

论文标题：

2D Graphdiyne Oxide Serves as a Superior New Generation of Antibacterial Agents

论文网址：

https://www.cell.com/iscience/fulltext/S2589-0042(19)30297-4

DOI: 

https://doi.org/10.1016/j.isci.2019.08.019

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