定义表面氧阈值以切换氧化石墨烯与细菌的相互作用模式

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第一作者：郭志灵, 张鹏, 谢昌健

通讯作者：郭志灵, 张鹏, 谢昌健

通讯单位：伯明翰大学,山东理工大学

研究速览：

近期，伯明翰大学的郭志灵教授和张鹏教授以及山东理工大学谢昌健博士等人在ACS Nano上共同发表了定义切换氧化石墨烯与细菌互作用模式的表面氧阈值的研究工作。作为抗菌剂，石墨烯材料(GMs)由于其物理作用机制保证了更少的微生物耐药性产生，所以可能比传统的抗生素具有优势。然而，关于GMs药物的抑菌机制是来自于平行相互作用还是垂直相互作用，还是来自于这些相互作用的组合，我们对这个基本问题仍然知之甚少。在这里，该作者从实验和理论上表明，在悬浮阶段，具有高表面氧含量(SOC)的GMs主要平行附着在细菌细胞表面。当SOC达到临界值~ 0.3 (O在总原子中的原子百分比)时，相互作用模式转变为垂直相互作用。这种不同的相互作用方式与GMs的刚性密切相关。有机碳含量高的氧化石墨烯(GO)具有很强的柔性，可以包裹细菌，而有机碳含量低的还原氧化石墨烯(rGO)具有较高的刚性，易于与细菌接触。这两种模式都不一定杀死细菌。杀菌活性取决于GMs与周围生物分子的相互作用。这些发现表明，GMs的SOC的变化是驱动其与细菌相互作用模式的关键因素，从而有助于了解其抗菌活性的不同可能的物理机制。

SOC阈值诱导的相互作用模式切换和GMs抗菌活性的示意图。

要点分析：

要点一：

表面氧含量(SOC)对GMs和细菌相互作用方式的影响。表面氧含量(SOC)是决定GMs表面性质(如表面电荷和亲水性)以及它们与生物有机体相互作用的关键参数。SOC的微小变化会导致平行接触和垂直接触之间相互作用模式的变化，从而导致了不同的抗菌活性。高SOC有利于平行包裹细菌，低SOC有利于垂直接触细菌。

要点二：

SOC的应用拓展。SOC开关可以作为评估GMs材料抑菌效果的标准，并可以为改进GMs材料的安全设计提供计算建模。SOC开关也有可能被用作通用电机传感和传输应用的设计标准。

图文导读

图1.　 不同表面氧含量(SOC)的GMs对大肠杆菌或金黄色葡萄球菌在M9或LB培养基的抗菌性能。(a, c) 大肠杆菌或金黄色葡萄球菌在M9 (a)或LB培养基(c)中暴露100 mg/L GMs 48小时后的总细胞生长(OD600)。(b, d) 在M9 (b)或LB培养基 (d)中与GMs相互作用48 h后，用结晶紫染色法测定细菌生物膜形成(OD540)。(g, h)与GMs在M9 (g)或LB (h)培养基中孵育3 h后在平板上菌落发育的照片和形成的活大肠杆菌菌落的相对数量。(i) 控制GMs抑菌活性的SOC开关的气泡图示意图。

图2.　 细菌细胞的膜损伤和ROS积累及GMs的氧化电位。(a, b) 用共聚焦显微镜观察JC-1标记的细菌细胞在M9培养基 (a)或LB培养基 (b)孵育48 h后的荧光图像。(c, d) 暴露于M9 (c)或LB培养基 (d)中的GMs，细菌细胞完整/受损的百分比。(e, f) 在M9 (e)或LB培养基 (f)中暴露于GMs 48 h后，细菌细胞的相对ROS含量。(g) 用XTT法测定GMs超氧自由基阴离子(O2•−)的产量。以TiO2纳米颗粒在紫外线辐射下产生O2•−作为阳性对照。(h) GMs在不同介质(去离子水、LB、M9介质)中预孵育3 h后，谷胱甘肽氧化损失百分比。(i) 有机碳与GMs在水、LB或M9介质中GSH氧化能力的相关性。

图3.　SOC依赖性的细菌细胞膜物理破坏导致了GMs抗菌活性的差异。(a) 用100 mg/L的原始GMs以及在M9或LB介质中预孵育3小时后，脂质体囊泡中荧光团的泄漏随时间变化。(b) SOC与原始GMs和M9预孵育的GMs引起的脂质囊泡中荧光团泄漏(1 h)呈正相关，但与LB预孵育的GMs引起的脂质囊泡中荧光团泄漏呈负相关。(c) GMs引起的泄漏荧光团(1 h)的比例与GMs诱导的细胞活力损失(OD600)的百分比在48 h呈正相关。

图4.　 (a) 不同SOC的GMs与细菌的相互作用模式。(a, b) SEM图像显示G1、G2和G3在M9 (a)或LB (b)培养基中包裹细菌。G4、G5和G6在M9 (a)或LB (b)培养基中与其侧边接触细菌细胞。(c, d) 在有约束的MD模拟过程中，GM纳米片的代表性构型与脂膜表面垂直或平行排列。(e) 根据各原子的势能和力的变化，推导出了各原子的刚性。y轴值越高，刚度越高。(f) G1和G6薄膜的照片和SEM图像显示G1薄膜表面相对光滑，而G6薄膜边缘锋利。(g) G1或G6膜在M9或LB培养基中孵育3 h后形成的活大肠杆菌菌落的相对数量。

图5.　 在GMs表面形成电晕。(a) 在LB培养基中孵育3 h后的GMs细胞AFM图像。(b) GMs厚度。(c) 根据分子量对GMs电晕中鉴定的所有蛋白质进行分类。(d) GMs表面吸收的总蛋白质丰度。(e) 不同GMs的电晕吸收蛋白的交点打乱图。左边的条形图显示了不同GMs被吸收蛋白质的数量。内图是维恩图，显示了高度重叠的蛋白质数量。(f) 在GMs的电晕中识别的所有蛋白质的热图显示，高SOC的GMs比低SOC的GMs吸附更多的蛋白质。

结论

综上所述，作者发现GMs的SOC的变化是导致文献中GMs抑菌物理机制存在明显不确定性的关键因素。该作者确定了一个SOC阈值，在此之前和之后，基于物理相互作用模式的开关，GMs表现出不同的抗菌效果。物理破坏是抗菌活性的主要因素，高SOC有利于平行包裹，低SOC有利于垂直接触。蛋白质电晕的形成抑制了高SOC的GMs的抑菌作用，为细菌的生长提供了平台。需要注意的是，SOC诱导的开关阈值可能会随其他内在参数(如横向尺寸和厚度)而变化，这需要在后续研究中考虑。因此，需要明确确定特定测试GMs的SOC和开关阈值。该研究强调，SOC开关可以作为评估GMs材料抑菌效果的标准，并可以为改进GMs材料的安全设计提供计算建模。SOC开关也有可能被用作通用电机传感和传输应用的设计标准。该研究还提供了直接证据，表明在人类健康和环境安全的背景下，SOC应被视为GMs生物定义/分类的决定性属性。

全文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c10961

参考文献：Zhiling Guo, Peng Zhang, Changjian Xie, Evangelos Voyiatzis, Klaus Faserl, Andrew J. Chetwynd, Fazel Abdolahpur Monikh, Georgia Melagraki, Zhiyong Zhang, Willie J. G. M. Peijnenburg, Antreas Afantitis, Chunying Chen, Iseult Lynch. Defining the Surface Oxygen Threshold That Switches the Interaction Mode of Graphene Oxide with Bacteria. ACS Nano. 2023, doi: 10.1021/acsnano.2c10961.