Syntese af nanopartikler af mikroorganismer:Udforskning af svampenes grønne kraft

De bruges som medicin, lægemiddelbærere og til at bekæmpe mikrober på hospitaler, ødelægge plantepatogener og reducere mængden af ​​traditionel gødning, der bruges i landbruget – nanopartikler overtager medicin og fødevareindustrien.

Nanopartikler er små strukturer op til 100 nanometer i størrelse. De er kendetegnet ved andre fysiske og kemiske egenskaber og biologisk aktivitet end deres større materialemodstykker.

"Når udgangsmaterialet på mikroskala med et bestemt overfladeareal nedbrydes til nanostørrelse, altså til mindre partikler, vil dets overflade stige mange gange. Og det er forholdet mellem overflade og volumen, der resulterer i de unikke egenskaber af nanopartikler," forklarer prof. Mahendra Rai fra Sant Gadge Baba Amravati University i Indien.

Nanopartikler kan hovedsageligt være organiske eller uorganiske. Blandt de organiske kan vi skelne liposomer, miceller og dendrimerer.

"Liposomer er vesikler lavet af et fosfolipid-dobbeltlag med fri plads indeni, hvori du kan putte for eksempel et lægemiddel og præcist levere det til målstedet i kroppen, fordi liposomerne vil gå i opløsning i tumorens sure miljø og frigive stoffet i det,« siger prof. Patrycja Golinska fra Institut for Mikrobiologi ved Det Biologiske og Veterinære Fakultet NCU.

"Blandt uorganiske nanopartikler kan vi skelne mellem nanopartikler af metaller som sølv, guld, titanium, kobber, metaloxider (f.eks. zinkoxid) og halvmetaller (metalloider) som silica, selen og aluminium. På Nicolaus Copernicus University har vi primært fokuseret på metalnanopartikler. Indtil videre har vi for det meste biosyntetiseret sølv- og guldnanopartikler. I de senere år har vi også biosyntetiseret nanopartikler af zink, kobber og magnesiumoxider.

Nanopartikler kan opnås på forskellige måder, men i de senere år har den såkaldte grønne syntese (biologisk syntese eller biosyntese) tiltrukket sig stigende interesse for nanoteknologi.

"Det er miljøvenligt. I biologisk syntese, i modsætning til kemisk eller fysisk syntese, bruger produktionen af ​​nanopartikler ikke giftige forbindelser og forbruger ikke store mængder energi", siger prof. Rai.

Derudover skal de efter fremstilling af nanopartikler på en kemisk eller fysisk måde stadig stabiliseres, det vil sige "coated" med andre kemiske forbindelser, som normalt også er giftige. Pointen er, at nanopartiklerne ikke aggregerer, dvs. ikke kombinerer med hinanden til strukturer af større størrelser og ikke mister deres reaktionsflade og dermed deres unikke egenskaber.

Grøn nanoteknologi

Biologer fra Nicolaus Copernicus Universitetet i Toruń blev interesseret i biosyntese, det vil sige syntesen af ​​nanopartikler af mikroorganismer som svampe og bakterier samt af alger og planter. Under besøget af Prof. Rai i Polen fokuserede forskerne på mycosyntese, dvs. syntesen af ​​nanopartikler ved hjælp af svampe.

”Som en del af projektet, som prof. Rai udførte på Nicolaus Copernicus Universitetet, syntetiserede vi sølvnanopartikler ved hjælp af svampe, hovedsageligt af slægten Fusarium, som inficerer planter, herunder korn, men også fra andre slægter som Penicillium, der udvikler f.eks. på mandariner og citroner,« siger prof. Golinska. "I en sådan produktion anvendes ingen giftige forbindelser, og der produceres ikke noget giftigt affald."

Fordelen ved svampe frem for andre mikroorganismer i syntesen af ​​nanopartikler er, at de producerer et stort antal forskellige metabolitter, herunder mange proteiner, herunder enzymer, og mange af disse stoffer kan være involveret i reduktionen af ​​sølvioner til nanosølv.

Applikationer

Nanoteknologi kan bruges på de vigtigste områder af menneskets liv:medicin, landbrug og emballageindustrien og opbevaring af fødevarer. Nanopartikler er meget aktive mod forskellige mikroorganismer.

De bekæmper sygdomsfremkaldende mikrober meget godt og hæmmer deres spredning, som kan bruges til at producere forskellige overflader og materialer på hospitaler, såsom masker med et nanosølvfilter, som blev skabt under COVID-19-pandemien. De er effektive mod bakterier, der er resistente over for almindeligt anvendte antibiotika. Sølv nanopartikler har også anti-kræft egenskaber.

"Nanomaterialer er smarte, de kan for eksempel indgives intravenøst, men de virker på målstedet, altså i en kræftsvulst, og ikke som kemoterapi, der fordeles i hele kroppen og samtidig ødelægger både unormale og raske celler ," forklarer prof. Rai. I tilfælde af nanopartikler kan vi bruge målrettet terapi, hvor anti-cancer-lægemidlet kun frigives på stedet for tumoren. Nanopartikler i sig selv kan være et lægemiddel og også en lægemiddelbærer.

I landbruget bruges nanoteknologi i tre aspekter. Den første er den tidlige påvisning af plantepatogener, før de første symptomer på plantesygdomme viser sig. Den elektroniske næse er en teknologi, som vi ikke beskæftiger os med i øjeblikket, men takket være brugen af ​​nanomaterialer såsom nanotråde eller nanorods af zinkoxid i denne enhed, detekterer den flygtige stoffer produceret af patogene svampe.

"Andre typer af nanobiosensorer, der detekterer DNA fra plantepatogener, kan også bruges," siger prof. Golinska. "Takket være dette kan passende agrotekniske behandlinger anvendes, før vi ser symptomerne på planteangreb, f.eks. misfarvning, razziaer eller nekrose af blade."

Det andet aspekt er brugen af ​​en opløsning af nanopartikler til direkte at bekæmpe patogener, der allerede er udviklet på planter. Sådanne nanopartikler virker normalt i meget lavere koncentrationer end kemiske fungicider, så deres koncentration i miljøet er også meget lavere sammenlignet med almindeligt anvendte fungicider.

Det tredje anvendelsesområde for nanomaterialer i landbruget er levering af næringsstoffer til planter. Ligesom i medicin kan nanomaterialer i sig selv være et næringsstof eller en bærer, der indeholder et næringsstof, der kan frigives på en kontrolleret måde. Når landmænd bruger traditionel gødning, leverer de en enorm mængde af dem til markerne på kort tid, som planter ikke kan bruge, og en stor del af dem trænger dybt ned i jorden til grundvandet og dermed til vandreservoirer (overfladevand). ).

Dette påvirker vandmiljøet negativt, hvilket fører til dets eutrofiering. Overdreven gødskning skader også jordens mikroorganismer og fører til den såkaldte. "Jordtræthed", det vil sige en konstant ubalance i indholdet af næringsstoffer, som negativt påvirker størrelsen af ​​afgrøder. Ved at bruge nanoindkapsling, dvs. at placere nanopartikler, der er næringsstoffer for planter, i kapsler eller matricer, kan du påføre disse næringsstoffer ved blad- eller jordpåføring.

"Den største fordel ved denne løsning er frigivelsen af ​​næringsstoffer på en kontrolleret, langsom og konstant måde. Dette er et element i bæredygtig udvikling, som er ekstremt vigtigt i dag," siger prof. Rai.

Venlige svampe

Prof. Rai kom til Polen i to år takket være et stipendium, han modtog fra det polske nationale agentur for akademisk udveksling (NAWA). Under det foreslåede projekt, "Udvikling af nye miljøvenlige og biologisk aktive nanomaterialer" sammen med et team bestående af Dr. hab. Patrycja Golińska (prof. af NCU), Dr. Magdalena Wypij og Ph.D. studerende Joanna Trzcińska-Wencel, beskæftigede sig med produktion af nanokompositter baseret på pullulan og sølv nanopartikler (AgNP'er) til bekæmpelse af forskellige mikroorganismer.

"Pullulan, en naturlig bionedbrydelig polymer, blev biosyntetiseret ved hjælp af svampe (Aureobasidium pullulans) og kombineret med sølv nanopartikler, fremstillet ved grøn syntese ved hjælp af skimmelsvampe, som jeg nævnte tidligere," forklarer prof. Golińska. "Vi skabte film, dvs. tynde og fleksible folier, belagt med sølvnanopartikler. Vi testede disse film, for eksempel for at bekæmpe patogener, der er ansvarlige for sårinfektioner eller dem, der udvikler sig i fødevarer, såsom Listeria monocytogenes eller Salmonella sp., dvs. de facto for at forlænge madens holdbarhed."

Pullulan inkorporeret med sølv nanopartikler fremviser gavnlige egenskaber og kan derfor bruges til f.eks. fremstilling af fødevareemballage eller forbindinger, som accelererer helingen af ​​sår og beskytter dem mod udvikling af infektion. "Når vi har mere omfattende sår, f.eks. forbrændinger, er de meget udsatte for udvikling af infektion," forklarer prof. Golińska. "Sikring af et sådant sted med en biologisk nedbrydelig polymer med et middel, der hæmmer udviklingen af ​​patogener, vil markant fremskynde sårheling."

Holdet har til hensigt at patentere en metode til at opnå pullulan-baserede nanokompositter og frigive nanopartikler fra filmen.

To forskningsartikler blev publiceret i tidsskriftet Grænser i mikrobiologi under professorens besøg, nemlig "Biogent nanosølv, der bærer antimikrobielle og antibiofilmaktiviteter og dets potentiale for anvendelse i landbrug og industri" og "Superior in vivo sårhelende aktivitet af mycosynthesized sølv nanogel på forskellige sårmodeller i rotter."

Yderligere to, "Biofremstilling af nye sølv- og zinkoxidnanopartikler fra Fusarium solani IOR 825 og deres potentielle anvendelse i landbruget som biokontrolmidler af phytopatogener og frøspiring og kimplantevækstfremmere" og "Pullulan-baserede film imprægneret med sølv nanopartikler fra Fusariumpartikler stamme JTW1 til potentielle anvendelser i fødevareindustrien og medicin" blev offentliggjort lige efter prof. Rai forlod Polen. Artiklerne blev offentliggjort i Grænser i kemi og Grænser inden for bioteknik og bioteknologi .

Flere oplysninger: Joanna Trzcińska-Wencel et al., Biogent nanosølv, der bærer antimikrobielle og antibiofilmaktiviteter og dets potentiale for anvendelse i landbrug og industri, Grænser i mikrobiologi (2023). DOI:10.3389/fmicb.2023.1125685

Swapnil Gaikwad et al., Superior in vivo sårhelende aktivitet af mycosyntetiseret sølvnanogel på forskellige sårmodeller i rotter, Grænser i mikrobiologi (2022). DOI:10.3389/fmicb.2022.881404

Joanna Trzcińska-Wencel et al., Biofremstilling af nye sølv- og zinkoxidnanopartikler fra Fusarium solani IOR 825 og deres potentielle anvendelse i landbruget som biokontrolmidler af phytopatogener og frøspiring og kimplantevækstfremmere, Grænser i kemi (2023). DOI:10.3389/fchem.2023.1235437

Magdalena Wypij et al., Pullulan-baserede film imprægneret med sølvnanopartikler fra Fusarium culmorum-stammen JTW1 til potentielle anvendelser i fødevareindustrien og medicin, Grænser i bioteknik og bioteknologi (2023). DOI:10.3389/fbioe.2023.1241739

Journaloplysninger: Grænser i mikrobiologi

Leveret af Nicolaus Copernicus University