Synthese van nanodeeltjes door micro-organismen: onderzoek naar de groene kracht van schimmels

Ze worden gebruikt als medicijnen, medicijndragers en om microben in ziekenhuizen te bestrijden, plantpathogenen te vernietigen en de hoeveelheid traditionele meststoffen die in de landbouw worden gebruikt te verminderen – nanodeeltjes nemen de geneeskunde en de agrovoedingsindustrie over.

Nanodeeltjes zijn kleine structuren met een grootte tot 100 nanometer. Ze worden gekenmerkt door andere fysische en chemische eigenschappen en biologische activiteit dan hun grotere materiële tegenhangers.

“Wanneer het uitgangsmateriaal op microschaal met een specifiek oppervlak wordt opgesplitst tot nanogrootte, dat wil zeggen in kleinere deeltjes, zal het oppervlak vele malen groter worden. En het is de verhouding tussen oppervlak en volume die resulteert in de unieke eigenschappen van nanodeeltjes”, legt prof. Mahendra Rai van de Sant Gadge Baba Amravati Universiteit in India uit.

Nanodeeltjes kunnen voornamelijk organisch of anorganisch zijn. Onder de organische kunnen we liposomen, micellen en dendrimeren onderscheiden.

“Liposomen zijn blaasjes gemaakt van een fosfolipide dubbellaag met vrije ruimte erin, waarin je bijvoorbeeld een medicijn kunt stoppen en dit precies op de doelplaats in het lichaam kunt afleveren, omdat de liposomen in de zure omgeving van de tumor zullen uiteenvallen en vrijkomen. het medicijn dat erin zit”, zegt prof. Patrycja Golinska van de afdeling Microbiologie van de Faculteit Biologische en Diergeneeskundige Wetenschappen NCU.

“Onder de anorganische nanodeeltjes kunnen we nanodeeltjes onderscheiden van metalen zoals zilver, goud, titanium, koper, metaaloxiden (bijvoorbeeld zinkoxide) en halfmetalen (metalloïden) zoals silica, selenium en aluminium. Aan de Nicolaus Copernicus Universiteit concentreerde zich voornamelijk op metalen nanodeeltjes. Tot nu toe hebben we vooral zilveren en gouden nanodeeltjes gebiosynthetiseerd. De afgelopen jaren hebben we ook nanodeeltjes van zink-, koper- en magnesiumoxiden gebiosynthetiseerd. ”

Nanodeeltjes kunnen op verschillende manieren worden verkregen, maar de zogenaamde groene synthese (biologische synthese of biosynthese) kent de laatste jaren steeds meer belangstelling in de nanotechnologie.

“Het is milieuvriendelijk. Bij de biologische synthese worden, in tegenstelling tot de chemische of fysische synthese, bij de productie van nanodeeltjes geen giftige verbindingen gebruikt en geen grote hoeveelheden energie verbruikt”, zegt prof. Rai.

Bovendien moeten nanodeeltjes na de productie op chemische of fysische wijze nog worden gestabiliseerd, dat wil zeggen “gecoat” met andere chemische verbindingen, die meestal ook giftig zijn. Het punt is dat de nanodeeltjes niet aggregeren, dat wil zeggen niet met elkaar combineren tot structuren van grotere omvang en hun reactieoppervlak en daarmee hun unieke eigenschappen niet verliezen.

Groene nanotechnologie

Biologen van de Nicolaus Copernicus Universiteit in Toruń raakten geïnteresseerd in biosynthese, dat wil zeggen de synthese van nanodeeltjes door micro-organismen zoals schimmels en bacteriën, maar ook door algen en planten. Tijdens het bezoek van prof. Rai aan Polen concentreerden wetenschappers zich op mycosynthese, dat wil zeggen de synthese van nanodeeltjes met behulp van schimmels.

“Als onderdeel van het project, dat prof. Rai uitvoerde aan de Nicolaus Copernicus Universiteit, hebben we zilveren nanodeeltjes gesynthetiseerd met behulp van schimmels, voornamelijk van het geslacht Fusarium, die planten infecteren, waaronder granen, maar ook van andere geslachten zoals Penicillium, die zich bijvoorbeeld ontwikkelen over mandarijnen en citroenen”, zegt prof. Golinska. “Bij een dergelijke productie worden geen giftige verbindingen gebruikt en wordt er geen giftig afval geproduceerd.”

Het voordeel van schimmels ten opzichte van andere micro-organismen bij de synthese van nanodeeltjes is dat ze een groot aantal verschillende metabolieten produceren, waaronder veel eiwitten, waaronder enzymen, en veel van deze stoffen kunnen betrokken zijn bij de reductie van zilverionen tot nanozilver.

Toepassingen

Nanotechnologie kan worden gebruikt op de belangrijkste gebieden van het menselijk leven: de geneeskunde, de landbouw en de verpakkingsindustrie, en de opslag van voedsel. Nanodeeltjes zijn zeer actief tegen verschillende micro-organismen.

Ze bestrijden ziekteverwekkende microben heel goed en remmen de verspreiding ervan, wat kan worden gebruikt om in ziekenhuizen verschillende oppervlakken en materialen te produceren, zoals maskers met een nanozilverfilter, die zijn gemaakt tijdens de COVID-19-pandemie. Ze zijn effectief tegen bacteriën die resistent zijn tegen veelgebruikte antibiotica. Zilveren nanodeeltjes hebben ook kankerbestrijdende eigenschappen.

“Nanomaterialen zijn slim, ze kunnen bijvoorbeeld intraveneus worden toegediend, maar ze werken op de doellocatie, dat wil zeggen in een kankergezwel, en niet zoals chemotherapie, die door het lichaam wordt verspreid en tegelijkertijd zowel abnormale als gezonde cellen vernietigt ”, legt prof. Rai uit. In het geval van nanodeeltjes kunnen we gerichte therapie toepassen, waarbij het antikankermedicijn alleen op de plaats van de tumor vrijkomt. Nanodeeltjes kunnen zelf een medicijn zijn, maar ook een medicijndrager.

In de landbouw wordt nanotechnologie op drie manieren gebruikt. De eerste is de vroege detectie van plantpathogenen voordat de eerste symptomen van plantenziekte verschijnen. De elektronische neus is een technologie waar we op dit moment nog niet mee te maken hebben, maar dankzij het gebruik van nanomaterialen zoals nanodraden of nanostaafjes van zinkoxide in dit apparaatje detecteert hij vluchtige stoffen geproduceerd door ziekteverwekkende schimmels.

“Andere soorten nanobiosensoren die het DNA van plantpathogenen detecteren, kunnen ook worden gebruikt”, zegt prof. Golinska. “Dankzij dit kunnen passende agrotechnische behandelingen worden toegepast voordat we de symptomen van plantenaantasting zien, bijvoorbeeld verkleuring, plunderingen of necrose van bladmessen.”

Het tweede aspect is het gebruik van een oplossing van nanodeeltjes om ziekteverwekkers die zich al op planten hebben ontwikkeld direct te bestrijden. Dergelijke nanodeeltjes werken doorgaans in veel lagere concentraties dan chemische fungiciden, waardoor hun concentratie in het milieu ook veel lager is vergeleken met algemeen gebruikte fungiciden.

Het derde toepassingsgebied van nanomaterialen in de landbouw is de levering van voedingsstoffen aan planten. Net als in de geneeskunde kunnen nanomaterialen zelf een voedingsstof zijn of een drager die een voedingsstof bevat die op gecontroleerde wijze vrijkomt. Als boeren traditionele meststoffen gebruiken, brengen ze in korte tijd grote hoeveelheden daarvan naar de velden, die planten niet kunnen gebruiken en een groot deel ervan dringt diep in de bodem door naar het grondwater en dus naar waterreservoirs (oppervlaktewater). ).

Dit heeft een negatief effect op het aquatisch milieu, wat tot eutrofiëring leidt. Overmatige bemesting schaadt ook bodemmicro-organismen en leidt tot de zogenaamde. “Bodemmoeheid”, dat wil zeggen een voortdurend onevenwicht in het gehalte aan voedingsstoffen, wat een negatief effect heeft op de omvang van de gewassen. Met behulp van nano-inkapseling, dat wil zeggen door nanodeeltjes die voedingsstoffen voor planten zijn, in capsules of matrices te plaatsen, kun je deze voedingsstoffen aanbrengen via blad- of bodemtoepassing.

“Het grootste voordeel van deze oplossing is de afgifte van voedingsstoffen op een gecontroleerde, langzame en constante manier. Dit is een element van duurzame ontwikkeling, dat tegenwoordig uiterst belangrijk is”, zegt prof. Rai.

Vriendelijke schimmels

Prof. Rai kwam voor twee jaar naar Polen dankzij een beurs die hij ontving van het Polish National Agency for Academic Exchange (NAWA). In het kader van het voorgestelde project “Ontwikkeling van nieuwe milieuvriendelijke en biologisch actieve nanomaterialen” samen met een team bestaande uit Dr. hab. Patrycja Golińska (prof. NCU), Dr. Magdalena Wypij en Ph.D. studente Joanna Trzcińska-Wencel hield zich bezig met de productie van nanocomposieten op basis van pullulan- en zilveren nanodeeltjes (AgNP’s) voor de bestrijding van verschillende micro-organismen.

“Pullulan, een natuurlijk biologisch afbreekbaar polymeer, werd gebiosynthetiseerd met behulp van schimmels (Aureobasidium pullulans) en gecombineerd met zilveren nanodeeltjes, geproduceerd door groene synthese met behulp van schimmels, die ik eerder noemde”, legt prof. Golińska uit. “We hebben films gemaakt, dat wil zeggen dunne en flexibele folies, ingelegd met zilveren nanodeeltjes. We hebben deze films bijvoorbeeld getest om ziekteverwekkers te bestrijden die verantwoordelijk zijn voor wondinfecties of ziekteverwekkers die zich in voedsel ontwikkelen, zoals Listeria monocytogenes of Salmonella sp., dat wil zeggen de facto om de houdbaarheid van voedsel te verlengen.”

Pullulan waarin zilveren nanodeeltjes zijn verwerkt, heeft gunstige eigenschappen en zou daarom bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt bij de productie van voedselverpakkingen of verbandmiddelen die de genezing van wonden versnellen en deze beschermen tegen de ontwikkeling van infecties. “Als we uitgebreidere wonden hebben, bijvoorbeeld brandwonden, worden ze in hoge mate blootgesteld aan de ontwikkeling van infecties”, legt prof. Golińska uit. “Het beveiligen van zo’n plek met een biologisch afbreekbaar polymeer met een middel dat de ontwikkeling van ziekteverwekkers remt, zal de wondgenezing aanzienlijk versnellen.”

Het team is van plan een methode te patenteren voor het verkrijgen van op pullulan gebaseerde nanocomposieten en het vrijgeven van nanodeeltjes uit de film.

In het tijdschrift zijn twee onderzoeksartikelen gepubliceerd Grenzen in de microbiologie tijdens het bezoek van de professor, namelijk “Biogeen nanozilver met antimicrobiële en antibiofilmactiviteiten en het potentieel ervan voor toepassing in de landbouw en de industrie” en “Superieur in vivo wondgenezende activiteit van mycogesynthetiseerde zilveren nanogel op verschillende wondmodellen bij ratten.”

Nog twee, “Biofabricage van nieuw zilver en zinkoxide-nanodeeltjes uit Fusarium solani IOR 825 en hun potentiële toepassing in de landbouw als biocontrolemiddelen van fytopathogenen, en zaadkieming en groeibevorderaars voor zaailingen” en “Op Pullulan gebaseerde films geïmpregneerd met zilveren nanodeeltjes van Fusarium culmorum stam JTW1 voor mogelijke toepassingen in de voedingsindustrie en de geneeskunde” werden gepubliceerd net nadat prof. Rai Polen had verlaten. De artikelen werden gepubliceerd in Grenzen in de chemie En Grenzen in bio-engineering en biotechnologie.