Przystanek nauka - portal Uniwesytetu Śląskiego w Katowicach

Nanotechnologia jest nowym podejściem badawczym, obejmującym zestaw technik wytwarzania oraz modyfikacji materiałów w skali nanometrowej. Zawrotny rozwój nanotechnologii w ostatnich latach pozwolił na jej powiązanie z wieloma różnymi dziedzinami nauki, takimi jak: medycyna, stomatologia, farmacja, rolnictwo, ochrona środowiska, elektronika, optyka i chemia.

Tak masowe wykorzystanie nanocząstek w celach konsumenckich i przemysłowych wynika z ich unikatowych właściwości fizykochemicznych i biologicznych w stosunku do innych konwencjonalnych materiałów. Wprowadzanie na rynek produktów zawierających w swoim składzie nanocząstki wiąże się jednak z możliwością uwalniania ich do środowiska i w konsekwencji nieprzewidywalnym działaniem na mikroorganizmy, rośliny, zwierzęta i ludzi.

Właściwości oraz mechanizm działania nanocząstek

Czy w związku z szeregiem unikatowych właściwości nanocząstki mają niekorzystny wpływ na drobnoustroje? Z wielu prac wynika, że nie są obojętne dla organizmów żywych i mogą wywoływać efekt toksyczny. Wysoka stabilność, trwałość nanocząstek oraz ich mała biodegradowalność, może dodatkowo przyczyniać się do potencjalnie toksycznego działania na organizmy żywe.

O oddziaływaniu nanocząstek decydować mogą ich najprostsze cechy, takie jak wielkości i kształt. Im mniejszy rozmiar nanocząstek tym łatwiej przedostają się one do wnętrza komórek bakteryjnych. Przyjmuje się, że nanocząstki o wielkości do 5 nm mogą swobodnie przechodzić przez osłony bakteryjne. Wynika to z wielkości porów w błonie bakteryjnej, wynoszącej 5 nm.

W licznych badaniach stwierdzono, że zasadniczy wpływ na aktywność nanocząstek ma ich kształt. W zależności od kształtu mogą one wykazywać różny stopień toksyczności. Zakłada się, że nanostruktury o nierównych powierzchniach oraz nieregularnych kształtach są najbardziej reaktywne biologicznie i chemicznie. Dla przykładu, z badań przeprowadzonych przez koreańskich naukowców wynika, że najbardziej toksyczne dla bakterii Escherichia coli były nanocząstki srebra (AgNP) o kształcie trójkąta w porównaniu do nanocząstek sferycznych oraz nanoprętów.

Mechanizmy działania takich nanostruktur na komórki bakterii są różne. Mogą one powodować przerwanie integralności błony komórkowej, wyciek cytoplazmy, uszkodzenia struktur wewnątrzkomórkowych, materiału genetycznego oraz aparatu enzymatycznego. Tak działają m.in. na komórki bakterii nanocząstki srebra i złota.

Niewiele jest natomiast badań dotyczących genotoksyczności nanocząstek oraz ich potencjalnego działania mutagennego. Z dostępnych informacji wynika, że nanocząstki oraz ich jony mogą hamować replikację DNA oraz zaburzać ekspresję informacji genetycznej w komórce. Innym mechanizmem przeciwdrobnoustrojowego działania nanostruktur, np. ZnO oraz TiO2, jest generowanie reaktywnych form tlenu ROS (ang. reactive oxygen species), takich jak: anion ponadtlenkowy, rodnik alkoksylowy, nadtlenek wodoru, rodnik hydroksylowy, tlen singletowy i indukowanie stresu oksydacyjnego.

Kolejnym mechanizmem antybakteryjnego działania nanocząstek na mikroorganizmy jest uwalnianie toksycznych jonów metali ciężkich. Obecność wolnych jonów metali w komórkach może prowadzić do utraty aktywności katalitycznej białek enzymatycznych.

Nanocząstki mogą być skutecznym narzędziem (o szerokim spektrum działania) w walce z drobnoustrojami. Mogą okazać się rozwiązaniem do zwalczania mikroorganizmów chorobotwórczych. Przyszłe badania z pewnością pozwolą rozwiać wszelkie wątpliwości dotyczące ich skuteczności oraz potencjalnego ryzyka względem pozostałych organizmów.

Wprowadzanie nanocząstek do ekosystemów

Powszechne użycie nanocząstek w produktach codziennego użytku oraz technologiach przemysłowych może być jednak postrzegane jako niebezpieczne, ponieważ prowadzi do systematycznego ich uwalniania do różnych ekosystemów, w szczególności do gleby, gdzie mogą stanowić zagrożenie dla mikroorganizmów niebędących celem ich działania.

Mimo podejmowanych prób oceny zagrożenia związanego z ryzykiem wprowadzania nanocząstek do środowiska oraz ich toksyczności dla organizmów żywych, wciąż nie są one w pełni zdefiniowane. Obecnie stopień wprowadzania nowych produktów na rynek z dodatkiem nanocząstek przewyższa zbiór dostępnych informacji dotyczących regulacji oraz potencjalnej ich toksyczności. Jednocześnie należy mieć na uwadze to, że każda nanostruktura powinna być rozpatrywana oddzielnie, ponieważ każda charakteryzuje się specyficznymi właściwościami i może posiadać inne mechanizmy działania.

Czy nieznane ryzyko wytworzonych nanocząstek przewyższa ich ustalone korzyści dla przemysłu oraz produktów konsumenckich? Niewątpliwie dalsze badania w dziedzinie nanotoksykologii pozwolą odpowiedzieć na to pytanie oraz wprowadzić odpowiedzialny rozwój nanotechnologii.

Źródło ilustracji: https://www.quora.com

Artykuł powstał w ramach współpracy tutorskiej studentki Wydziału Biologii i Ochrony Środowiska Oliwii Metryki i prof. dr hab. Agnieszki Mrozik z Katedry Biochemii Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach. Więcej informacji: tutor.us.edu.pl.