Małe fabryki nanomateriałów, czyli mikroorganizmy produkujące nanocząstki
Produkty posiadające przedrostek nano- możemy spotkać na rynku bardzo często. Można nawet powiedzieć, że nastał rodzaj mody na nanomateriały. Nanocząstki są składnikami kremów, tkanin, maści, ale mogą być również stosowane w medycynie czy rolnictwie. Zwykle wytwarzane są przez człowieka metodami fizycznymi i chemicznymi, jednak okazuje się, że ich „producentami” – oszczędniejszymi i bardziej ekologicznymi – mogą być także mikroorganizmy.
Nanocząstki są strukturami, których wymiary mieszczą się w przedziale od 1 do 100 nm. Nie jest to jednak decydujące kryterium przynależności do tej grupy, bowiem istotnym, jeśli nie najistotniejszym, czynnikiem są nowe właściwości produktów związane właśnie z ich małymi rozmiarami.
Duże zainteresowanie możliwością wykorzystania nanocząstek przez człowieka wpłynęło na intensywny rozwój metod ich wytwarzania. Metody te możemy podzielić na dwie główne grupy, do których należy metoda typu top-down, polegająca na rozdrabnianiu litych materiałów do cząstek wielkości nano oraz bottom-up, w której doprowadzamy do przyrostu nanokryształów, a później jego kontrolowanego zaprzestania. Okazuje się, iż znacznie lepsze rezultaty uzyskuje się w przypadku drugiej z metod. Jej produkty bowiem charakteryzują się mniejszą ilością defektów, a powstałe nanocząstki mają zbliżoną wielkość i morfologię.
Jednak poza metodami fizycznymi oraz chemicznymi wykorzystywanymi na skalę przemysłową, nanocząstki mogą być wytwarzane również przez mikroorganizmy. Wykorzystanie tzw. zielonych metod do produkcji nanocząstek posiada wiele zalet, gdyż metody te są tańsze a uzyskane produkty biokompatybilne, czyli bezpieczniejsze niż te uzyskane metodami fizycznymi. Co więcej są bardziej przyjazne dla środowiska dzięki zminimalizowaniu użycia w trakcie procesu produkcyjnego surfaktantów, polimerów i innych składników organicznych stanowiących zagrożenie dla otoczenia. Dlatego też na przykład do syntezy nanocząstek srebra (AgNP) często wykorzystywane są mikroorganizmy oraz rośliny.
Wśród drobnoustrojów jednym z gatunków zdolnych do produkcji nanomateriałów jest Gram-dodatnia bakteria z rodzaju Bacillus, znana ze swoich zdolności do wytwarzania różnorodnych związków aktywnych. Wprowadzenie azotanu (V) srebra (AgNO3) do wolnego od komórek przesączu, zawierającego białka wydzielone przez Bacillus brevis, skutkuje pojawieniem się kulistych nanoskupisk srebra w roztworze. Jest to możliwe, ponieważ podczas inkubacji dochodzi do bioredukcji AgNO3 do AgNP. Redukcja rozpoczyna się już po kilku minutach od dodania azotanu (V) srebra do filtratu komórkowego i kończy się w przeciągu ok. 1 godziny. O zajściu konwersji można z łatwością wnioskować na podstawie zmiany koloru zawiesiny z jasnej na ciemnobrązową. Wynika to z faktu, iż plazmony powierzchniowe ulegają wzbudzeniu, czyli zachodzi zjawisko charakterystyczne jedynie dla nanomateriałów.
No dobrze, ale czym właściwie są owe plazmony? Otóż są to oscylujące elektrony walencyjne, które wykazują rezonansową absorpcję promieniowania i to skutkuje właśnie zmianą barwy nanocząstek metali. Innymi słowy nanocząstki o różnej wielkości posiadają zróżnicowaną zdolność absorpcji światła widzialnego, przez co ich zabarwienie może się różnić. Podobne zjawisko możemy obserwować w przypadku nanocząstek złota, które w zależności od wielkości mogą zmieniać kolor od niebieskiego do czerwonego.
Uzyskane z wykorzystaniem komórek bakteryjnych nanocząstki srebra, dzięki swoim właściwościom przeciwdrobnoustrojowym, mogą znaleźć zastosowanie m.in. w zwalczaniu szczepów opornych na antybiotyki jak Staphylococcus aureus czy Salmonella typhi. Ich zwiększona aktywność przeciwbakteryjna wynika głównie z faktu, iż posiadają duży stosunek powierzchni do objętości, a przez to dużą powierzchnię kontaktu z otaczającym środowiskiem. Poza tym ich niewielkie rozmiary umożliwiają wnikanie przez błony biologiczne do komórki, co skutkuje pośrednim i bezpośrednim oddziaływaniem na struktury i procesy metaboliczne komórek. Dzięki silnemu działaniu przeciwbakteryjnemu oraz odmiennemu niż antybiotyki mechanizmowi działania, nanocząstki dają nadzieję na rozwiązanie obecnie stale narastającego problemu związanego z brakiem wrażliwości patogenów na chemioterapeutyki.
Małe fabryki nanomateriałów, o których jest mowa, poza nanocząstkami srebra, zdolne są również do produkcji nanocząstek złota, platyny czy palladu. Zatem wykorzystanie mikroorganizmów do syntezy nanomateriałów, ze względu na zwiększoną opłacalność i bezpieczeństwo, stanowi interesującą alternatywę dla obecnie wykorzystywanych w produkcji metod fizycznych i chemicznych.
Opracowano na podstawie artykułu Synthesis of silver nanoparticles from Bacillus brevis (NCIM 2533) and their antibacterial activity against pathogenic bacteria opublikowanego w czasopiśmie "Microbial Pathogenesis". (2018) DOI: 10.1016/j.micpath.2018.01.038
Artykuł powstał w ramach współpracy tutorskiej studentki Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Katarzyny Kudły i dr. Sławomira Sułowicza z Katedry Mikrobiologii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
