De används som mediciner, läkemedelsbärare och för att bekämpa mikrober på sjukhus, förstöra växtpatogener och minska mängden traditionella gödselmedel som används i jordbruket – nanopartiklar tar över medicinen och livsmedelsindustrin.
Nanopartiklar är små strukturer upp till 100 nanometer stora. De kännetecknas av andra fysikaliska och kemiska egenskaper och biologisk aktivitet än deras större materialmotsvarigheter.
"När utgångsmaterialet i mikroskala med en specifik yta bryts ner till nanostorlek, d.v.s. till mindre partiklar, kommer dess yta att öka många gånger. Och det är förhållandet mellan yta och volym som resulterar i de unika egenskaperna av nanopartiklar", förklarar Prof. Mahendra Rai från Sant Gadge Baba Amravati University i Indien.
Nanopartiklar kan huvudsakligen vara organiska eller oorganiska. Bland de organiska kan vi urskilja liposomer, miceller och dendrimerer.
"Liposomer är vesiklar gjorda av ett fosfolipiddubbelskikt med ledigt utrymme inuti, där du kan lägga till exempel ett läkemedel och exakt leverera det till målplatsen i kroppen eftersom liposomerna kommer att sönderfalla i tumörens sura miljö och frigöras. drogen i den", säger prof. Patrycja Golinska från institutionen för mikrobiologi vid Fakulteten för biologiska och veterinära vetenskaper NCU.
"Bland oorganiska nanopartiklar kan vi urskilja nanopartiklar av metaller som silver, guld, titan, koppar, metalloxider (t.ex. zinkoxid) och halvmetaller (metalloider) som kiseldioxid, selen och aluminium. Vid Nicolaus Copernicus University har vi fokuserat främst på metallnanopartiklar. Hittills har vi mestadels biosyntetiserat silver- och guldnanopartiklar. Under de senaste åren har vi också biosyntetiserat nanopartiklar av zink, koppar och magnesiumoxider.
Nanopartiklar kan erhållas på olika sätt, men på senare år har den så kallade gröna syntesen (biologisk syntes eller biosyntes) tilldragit sig ett ökande intresse för nanoteknik.
"Det är miljövänligt. Vid biologisk syntes, till skillnad från kemisk eller fysikalisk syntes, använder produktionen av nanopartiklar inga giftiga föreningar och förbrukar inte stora mängder energi", säger Prof. Rai.
Dessutom behöver de efter framställning av nanopartiklar på ett kemiskt eller fysikaliskt sätt fortfarande stabiliseras, d.v.s. "beläggas" med andra kemiska föreningar, som vanligtvis också är giftiga. Poängen är att nanopartiklarna inte aggregerar, det vill säga inte kombineras med varandra till strukturer av större storlekar och inte förlorar sin reaktionsyta och därmed sina unika egenskaper.
Biologer från Nicolaus Copernicus-universitetet i Toruń blev intresserade av biosyntes, det vill säga syntesen av nanopartiklar av mikroorganismer som svampar och bakterier, samt av alger och växter. Under professor Rais besök i Polen fokuserade forskare på mykosyntes, dvs syntesen av nanopartiklar med hjälp av svampar.
"Som en del av projektet, som Prof. Rai genomförde vid Nicolaus Copernicus University, syntetiserade vi silvernanopartiklar med hjälp av svampar, främst av släktet Fusarium, som infekterar växter, inklusive spannmål, men även från andra släkten som Penicillium, som utvecklar t.ex. på mandariner och citroner", säger prof. Golinska. "I sådan produktion används inga giftiga föreningar och inget giftigt avfall produceras."
Fördelen med svampar framför andra mikroorganismer i syntesen av nanopartiklar är att de producerar ett stort antal olika metaboliter, inklusive många proteiner, inklusive enzymer, och många av dessa ämnen kan vara involverade i reduktionen av silverjoner till nanosilver.
Nanoteknik kan användas inom de viktigaste områdena av mänskligt liv:medicin, jordbruk och förpackningsindustrin samt förvaring av livsmedel. Nanopartiklar är mycket aktiva mot olika mikroorganismer.
De bekämpar patogena mikrober mycket väl och hämmar deras spridning, som kan användas för att producera olika ytor och material på sjukhus, till exempel masker med nanosilverfilter, som skapades under covid-19-pandemin. De är effektiva mot bakterier som är resistenta mot vanliga antibiotika. Silver nanopartiklar har också anti-cancer egenskaper.
"Nanomaterial är smarta, de kan administreras till exempel intravenöst, men de fungerar på målplatsen, det vill säga i en cancertumör, och inte som kemoterapi, som distribueras i hela kroppen samtidigt som de förstör både onormala och friska celler ", förklarar Prof. Rai. När det gäller nanopartiklar kan vi använda riktad terapi, där anti-cancerläkemedlet kommer att släppas endast på tumörplatsen. Nanopartiklar i sig kan vara ett läkemedel och även en drogbärare.
Inom jordbruket används nanoteknik i tre aspekter. Den första är tidig upptäckt av växtpatogener innan de första symptomen på växtsjukdomar uppträder. Den elektroniska näsan är en teknik som vi inte sysslar med för tillfället, men tack vare användningen av nanomaterial som nanotrådar eller nanorods av zinkoxid i denna enhet, upptäcker den flyktiga ämnen som produceras av patogena svampar.
"Andra typer av nanobiosensorer som upptäcker DNA från växtpatogener kan också användas", säger Prof. Golinska. "Tack vare detta kan lämpliga agrotekniska behandlingar tillämpas innan vi ser symptomen på växtangrepp, t.ex. missfärgning, räder eller nekros av bladblad."
Den andra aspekten är användningen av en lösning av nanopartiklar för att direkt bekämpa patogener som redan har utvecklats på växter. Sådana nanopartiklar verkar vanligtvis i mycket lägre koncentrationer än kemiska fungicider, så deras koncentration i miljön är också mycket lägre jämfört med vanliga fungicider.
Det tredje tillämpningsområdet för nanomaterial inom jordbruket är leverans av näringsämnen till växter. Precis som inom medicin kan nanomaterial i sig vara ett näringsämne eller en bärare som innehåller ett näringsämne som kan frigöras på ett kontrollerat sätt. När bönder använder traditionella gödselmedel levererar de enorma mängder av dem till åkrarna på kort tid, vilket växterna inte kan använda och en stor del av dem tränger djupt ner i jorden till grundvatten och följaktligen till vattenreservoarer (ytvatten). ).
Detta påverkar vattenmiljön negativt och leder till dess övergödning. Överdriven gödsling skadar också markens mikroorganismer och leder till s.k. "Marktrötthet", det vill säga en konstant obalans i innehållet av näringsämnen, vilket negativt påverkar storleken på grödor. Genom att använda nanoinkapsling, d.v.s. placera nanopartiklar som är näringsämnen för växter i kapslar eller matriser, kan du applicera dessa näringsämnen genom blad- eller jordapplicering.
"Den största fördelen med denna lösning är frigörandet av näringsämnen på ett kontrollerat, långsamt och konstant sätt. Detta är en del av hållbar utveckling, vilket är extremt viktigt nuförtiden", säger Prof. Rai.
Prof. Rai kom till Polen i två år tack vare ett stipendium han fick från det polska nationella byrån för akademiskt utbyte (NAWA). Under det föreslagna projektet, "Utveckling av nya miljövänliga och biologiskt aktiva nanomaterial" tillsammans med ett team bestående av Dr. hab. Patrycja Golińska (prof. av NCU), Dr. Magdalena Wypij och Ph.D. student Joanna Trzcińska-Wencel, behandlade produktionen av nanokompositer baserade på pullulan och silvernanopartiklar (AgNP) för att bekämpa olika mikroorganismer.
"Pullulan, en naturlig biologiskt nedbrytbar polymer, biosyntetiserades med hjälp av svampar (Aureobasidium pullulans) och kombinerades med silvernanopartiklar, framställda genom grön syntes med mögelsvampar, som jag nämnde tidigare", förklarar Prof. Golińska. "Vi skapade filmer, det vill säga tunna och flexibla folier, täckta med silvernanopartiklar. Vi testade dessa filmer, till exempel för att bekämpa patogener som är ansvariga för sårinfektioner eller de som utvecklas i livsmedel, som Listeria monocytogenes eller Salmonella sp., dvs de facto för att förlänga hållbarheten på mat."
Pullulan inkorporerat med silvernanopartiklar uppvisar fördelaktiga egenskaper och kan därför användas till exempel vid tillverkning av livsmedelsförpackningar eller förband som påskyndar läkningen av sår och skyddar dem mot utveckling av infektioner. "När vi har mer omfattande sår, t.ex. brännskador, är de mycket utsatta för infektionsutveckling", förklarar professor Golińska. "Att säkra en sådan plats med en biologiskt nedbrytbar polymer med ett medel som hämmar utvecklingen av patogener kommer avsevärt att påskynda sårläkning."
Teamet avser att patentera en metod för att erhålla pullulan-baserade nanokompositer och frigöra nanopartiklar från filmen.
Två forskningsartiklar publicerades i tidskriften Frontiers in Microbiology under professorns besök, nämligen "Biogent nanosilver som bär antimikrobiella och antibiofilmsaktiviteter och dess potential för tillämpning inom jordbruk och industri" och "Överlägsen in vivo sårläkningsaktivitet av mykosyntetiserad silvernanogel på olika sårmodeller hos råtta."
Ytterligare två, "Biotillverkning av nya silver- och zinkoxidnanopartiklar från Fusarium solani IOR 825 och deras potentiella tillämpning inom jordbruket som biokontrollmedel av fytopatogener, och frönsgroning och tillväxtfrämjare för plantor" och "Pullulan-baserade filmer impregnerade med silvernanopartiklar från Fusariumpartiklar stam JTW1 för potentiella tillämpningar inom livsmedelsindustrin och medicin" publicerades strax efter att Prof. Rai lämnade Polen. Uppsatserna publicerades i Frontiers in Chemistry och Frontiers in Bioengineering and Biotechnology .
Mer information: Joanna Trzcińska-Wencel et al, Biogent nanosilver med antimikrobiella och antibiofilmsaktiviteter och dess potential för tillämpning inom jordbruk och industri, Frontiers in Microbiology (2023). DOI:10.3389/fmicb.2023.1125685
Swapnil Gaikwad et al, Överlägsen in vivo sårläkningsaktivitet av mykosyntetiserad silvernanogel på olika sårmodeller hos råtta, Frontiers in Microbiology (2022). DOI:10.3389/fmicb.2022.881404
Joanna Trzcińska-Wencel et al, Biotillverkning av nya silver- och zinkoxidnanopartiklar från Fusarium solani IOR 825 och deras potentiella tillämpning inom jordbruket som biokontrollmedel för fytopatogener, och frönsgroning och tillväxtfrämjare för plantor, Frontiers in Chemistry (2023). DOI:10.3389/fchem.2023.1235437
Magdalena Wypij et al, Pullulan-baserade filmer impregnerade med silvernanopartiklar från Fusarium culmorum-stammen JTW1 för potentiella tillämpningar inom livsmedelsindustrin och medicin, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2023). DOI:10.3389/fbioe.2023.1241739
Journalinformation: Frontiers in Microbiology
Tillhandahålls av Nicolaus Copernicus University
