本研究由Tong Lou、Xueqiang Zhuang*（集美大学海洋工程学院）、Jiangfan Chang、Yali Gao、Chengqing Yuan（武汉理工大学）和Xiuqin Bai*（武汉理工大学）合作完成，发表于ACS Applied Materials & Interfaces期刊2025年第17卷，页码12899−12910。
海洋生物污损（marine biofouling）是指生物体在浸没表面非预期附着，对海洋工程设备的经济性、安全性和可靠性构成重大挑战。传统防污策略常对目标和非目标生物均产生负面影响，破坏海洋生态平衡。因此，开发绿色、高效且环保的防污技术成为研究重点。抗菌肽（antimicrobial peptides, AMPs）因其广谱抗菌性和低浓度快速杀菌活性，被视为潜在的绿色防污剂。然而，现有AMPs功能单一，且表面固定化过程复杂，依赖偶联剂。
本研究旨在设计一种兼具粘附与抗菌功能的多功能AMPs，通过理论计算指导定向重组，简化表面修饰流程，并验证其防污性能。研究以3,4-二羟基-L-苯丙氨酸（DOPA）和抗菌肽IP12（序列IRLRWRWKW PWP）为模型，结合密度泛函理论（DFT）、粗粒化分子动力学（CG MD）和全原子分子动力学（AA MD）模拟，阐明其作用机制，并通过实验构建防污表面。
DFT模拟：
- 目标：解析DOPA与铝合金表面的反应机制。
- 方法：采用Materials Studio 2023的DMol3模块，模拟DOPA分子与α-Al₂O₃（0001）三种终端表面（Al/O、O/Al、Al/Al）的相互作用。计算结合能、电子密度及电子密度差，确定活性基团。
- 结果：羟基是DOPA与表面反应的主要活性基团，在Al/O和O/Al终端表面发生去质子化，电子从DOPA向表面转移，其中羟基贡献45%–46%的电子转移量。Al/Al终端因氧原子被铝屏蔽，几乎无相互作用。
分子动力学模拟：
- CG MD：
- 系统构建：采用Martini3力场，将IP12与磷脂膜（POPE:POPG=3:1）粗粒化，模拟IP12的N端或C端固定时对膜结构的影响。
- 结果：C端固定的IP12诱导膜弯曲和局部增厚（厚度差异达16.1 Å），膜曲率显著增加（最大0.85 Å⁻¹），导致膜破裂；N端固定则无此效应。
- AA MD：
- 系统构建：使用AMBER力场，分析IP12与膜的原子级相互作用。
- 结果：IP12通过N端残基（如1Ile、2Arg）与膜稳定结合，静电相互作用（-507 kJ/mol）占主导，占结合总能的87%。
多功能肽合成与表面构建：
- 肽设计：基于模拟结果，将IP12的羧基与DOPA的氨基偶联，合成NH₂-IRLRWRWKW PWP-DOPA-COOH。
- 表面修饰：将铝合金浸入肽溶液（0.2 mg/mL, Tris-HCl缓冲液pH 8.5）18小时，通过DOPA粘附功能一步构建防污表面（Al-peptide）。
表征与性能测试：
- 物理化学表征：
- AFM：Al-peptide表面粗糙度（Rq=19.9 nm）高于未修饰铝（Rq=12.1 nm），形成均匀肽层。
- FT-IR/XPS：检测到酰胺I/II/III特征峰（1641/1548/1263 cm⁻¹），且铝元素信号消失，证实肽层覆盖。
- 防污评价：
- 抗菌测试：对抗大肠杆菌（革兰氏阴性）和芽孢杆菌（革兰氏阳性），防污率分别达85.8%和82.4%。
- SEM：显示细菌细胞膜破裂，与CG MD预测的膜破坏机制一致。
理论计算：
实验验证：
本研究通过理论计算指导设计多功能AMPs，结合DOPA的粘附性与IP12的抗菌性，开发了一步法构建防污表面的绿色技术。其科学价值在于：
1. 机制创新：首次阐明IP12通过N端残基破坏膜的分子机制，为AMP设计提供新思路。
2. 技术简化：无需偶联剂，通过肽自身功能实现表面固定，降低成本与工艺复杂度。
3. 应用潜力：为海洋工程设备的环保防污涂层提供解决方案，兼具高效性与生态安全性。
研究还指出未来需优化AMP广谱性以对抗硅藻等污损生物，并开展实海试验验证长期性能。