Janus MoSSe纳米片通过膜破坏机制对抗耐药菌的分子景观研究

【编辑推荐】耐药菌威胁全球健康，传统抗生素面临失效危机。中科院团队通过分子动力学(MD)模拟，首次揭示Janus MoSSe纳米片通过自发插入细菌膜并提取脂质的独特抗菌机制。研究发现三角形MoSSe因锐角结构更易穿透膜，其范德华力驱动的膜破坏行为为新型抗菌纳米材料设计提供了重要原则，相关成果发表于《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》。

　　

抗生素滥用导致的耐药菌危机已成为全球健康的首要威胁之一。世界卫生组织(WHO)列出的12种"超级细菌"如耐甲氧西林金黄色葡萄球菌(MRSA)和铜绿假单胞菌，已对临床治疗构成严峻挑战。传统抗生素通过靶向特定蛋白发挥作用，但细菌易通过基因突变产生耐药性。更令人担忧的是，中国多项研究在儿童尿液、孕妇体内甚至饮用水中检出抗生素残留，凸显开发新型抗菌策略的紧迫性。

在此背景下，过渡金属二硫化物(TMD)纳米材料因其非特异性物理抗菌机制备受关注。先前研究表明MoS₂、WS₂等可通过膜插入或产生活性氧(ROS)发挥抗菌作用，但Janus结构TMD（如硫硒化钼MoSSe）的抗菌性能尚未探索。这种两面分别由硫(S)和硒(Se)原子构成的非对称二维材料，可能因其独特界面特性产生新的抗菌机制。

研究人员采用分子动力学(MD)模拟技术，构建了三角形和矩形两种MoSSe纳米片与细菌膜的相互作用体系。通过GROMACS软件包进行100 ns的模拟，采用MARTINI粗粒化力场描述分子相互作用。关键分析包括膜序参数计算、自由能剖面绘制以及相互作用能量化，所有模拟均在NPT系综下进行。

Method部分
研究设计了两组模拟系统：系统1（三角形MoSSe）和系统2（矩形MoSSe）。纳米片初始置于膜表面上方2 nm处，模拟温度设为310 K以模拟生理环境。特别值得注意的是，为验证结果可靠性，每组实验均进行三次平行模拟。

Result部分

1. 膜插入行为：所有平行模拟均显示三角形MoSSe能完全插入膜双层，其锐角顶点首先穿透膜表面，随后通过范德华力驱动自发嵌入。相较之下，矩形MoSSe仅能部分插入，表明几何形状显著影响穿透效率。
2. 脂质提取现象：插入后的MoSSe表面吸附大量磷脂分子，形成明显的脂质提取带。定量分析显示三角形结构提取的脂质数量比矩形结构多37%。
3. 膜结构破坏：序参数分析表明，MoSSe周围0.5 nm范围内的膜有序度下降62%，膜厚度减少约1.8 nm，导致局部形成非双层结构。
4. 能量学分析：自由能计算揭示MoSSe插入过程释放-28 kcal/mol能量，证实该过程在热力学上自发进行。值得注意的是，三角形结构的穿透能垒比矩形结构低15 kcal/mol。

Conclusion部分
该研究首次证实Janus MoSSe单层纳米材料可通过物理破坏膜结构发挥抗菌作用，其机制不同于传统抗生素和普通TMD材料。特别重要的是，纳米片几何形状被证明是影响抗菌效率的关键因素——锐角结构更易引发膜穿孔。这一发现为抗菌纳米材料设计提供了"结构-活性"关系的新原则：通过调控纳米材料边缘锐度可优化其膜穿透能力。

这项发表于《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》的研究具有双重意义：理论上，填补了Janus二维材料生物效应研究的空白；应用上，为对抗多重耐药菌提供了新型纳米武器。未来研究可进一步探索MoSSe表面化学修饰与抗菌活性的关系，以及其在复杂生物环境中的实际应用潜力。