清华大学曲久辉院士团队Angew：物理抽提磷脂协同

作者：王韵壹、李英、熊慧卿

　　目前，世界各地医院和社区中的各种细菌感染正构成严重的公共健康和环境健康风险。为解决这些问题，我们研究了一种创新的基于纳米片细菌灭活系统的“毒箭头”消毒方法，利用二维MoS2的“箭头”构型从细胞膜中有力地提取脂质并随后使膜破裂。在强氧化剂过硫酸盐（PMS）的存在下，MoS2的硫空位激活了稳定的分子，进而从边缘位置到基底区域产生活性氧物种。这一过程不仅清除了部分磷脂以实现MoS2表面的更新，同时直接攻击蛋白质，对受损细胞造成进一步损伤，增强病原微生物的受损细胞膜的压力。少量纳米片材料存在下，可实现30s内对天然水进行消毒（按细菌总数计算，灭活率为99.93%）。

　　引言

　　目前，已出现包括非均相芬顿、光电催化在内的多种高级氧化技术应用于水中细菌的灭活。自由基攻击细胞膜，改变其高分子结构，诱发通透性变化，造成细胞内必要的酶外泄，细菌由于无法完成新陈代谢、有丝分裂等生命活动而被灭活。虽然自由基能够氧化细胞膜的各种成分，但由于细胞膜的成分组成主要是磷脂、蛋白、多糖等高分子有机物，所以氧化过程需要大量自由基，这就导致了以自由基为主的消毒方式的停留时间比较长。作为典型的二维纳米材料，MoS2显著的细胞毒性来源于静电效应和硫脂之间的范德华力。由于负硫位点易与脂类中亲水头部结合，MoS2的纳米边缘可以切割细胞膜，促进膜中磷脂的提取，从而导致膜破裂和细菌细胞死亡。然而，随着纳米片表面有效活性位的迅速被占据，二维纳米材料丧失对病原微生物的灭活能力。因此，对于纳米材料物理杀菌过程，应考虑如何恢复纳米材料杀菌性能，使其保持持续杀菌能力。为了缓解自由基氧化的负荷，结合纳米材料的物理杀菌过程，我们创新提出纳米材料杀菌的理化协同机制：纳米材料对细菌的物理损伤降低了自由基氧化的负荷，同时自由基能够清洁纳米材料表面，促使纳米材料恢复物理杀菌的性能，理化过程相互促进和补充，共同实现水中致病菌的快速灭活（图1a）。

　　图文导读

　　初步比较了不同浓度的PMS的存在下MoS2纳米片的抗菌活性（图1b）。在无PMS存在下，由MoS2作用60min后，对大肠杆菌的杀菌效率约为~0.34（对数去除率）。此外，PMS具有化学氧化抑菌能力，在25℃下将E.coli和10mg/L的PMS溶液共同培养60min后，E.coli灭活率达到94%，此外，MoS2/PMS体系明显提升了E.coli灭活效率，共同培养60min后，体系中E.coli的灭活率达到>99.9986%。此外，如图1c所示，通过Alamarblue试剂盒对不同杀菌体系的新陈代谢水平评价可知，MoS2/PMS体系对E.coli的新陈代谢抑制高达97.0%，几乎彻底杀灭所有E.coli。而物理杀菌体系对E.coli新陈代谢的抑制和MoS2浓度正相关，在MoS2浓度分别为10μg/L，25μg/L和50μg/L时，新陈代谢抑制分别达到11%，24%和36%，证实了物理损伤和ROS氧化之间的协同作用可能导致优异的抗菌性能。

　　图1. a.物理-化学协同强化病原微生物灭活机制图；b-c.MoS2、PMS和MoS2/PMS系统的消毒性能和大肠杆菌活性比较

　　为了深入研究理化协同机制，我们首先制备了不同含硫空位的MoS2纳米片（图2a-b），并明确了MoS2纳米片对E.coli的物理损伤过程（图2c）。不同物理损伤阶段的E.coli的切片透射电镜图和扫描电镜图如图2c所示。第一阶段是鲜活的E.coli的切片，其边缘清晰，厚度约10nm，复合磷脂双分子层的理论厚度；细胞质饱满，可明显看到胶质填充满的细胞结构。随着MoS2和E.coli接触时间的延长，细胞膜的形态达到第二阶段，大量MoS2接触E.coli细胞膜，细胞膜边缘颜色变浅，部分区域的细胞膜“摊开”成一片。这一步主要发生了磷脂的抽提，MoS2在接触细胞膜后，通过静电吸引和分子间作用力将磷脂分子从细胞膜中抽提至MoS2表面，随着抽提的进行，细胞膜逐渐变薄，有些区域的磷脂和MoS2混在一起。细胞膜形态在长时间磷脂抽提后达到第三阶段，大规模长时间的磷脂抽提已经扭曲了细胞膜的原始外形，抑制了E.coli有丝分裂增殖，此外，可明显看出细胞质流失，E.coli由于缺少新陈代谢酶而最终灭活。

　　图2. a.二维MoS2纳米片的HAADF-STEM图像；b.原子水平的MoS2结构的伪色彩图像；c.MoS2条件下活大肠杆菌和死大肠杆菌的形态；d. 暴露于不同浓度MoS2悬浮液的大肠杆菌细胞释放的LDH含量；e.MoS2纳米片在300 K下从POPE脂质膜中提取脂质的过程；f.MoS2纳米片底部与脂质中的磷原子在300 K之间的z位置信息；g.细胞膜和MoS2纳米片的相互作用能随时间的演化