Zielona moc grzybów | Wiadomości o Mirażu

Nanocząstki to maleńkie struktury o wielkości do 100 nanometrów. Charakteryzują się właściwościami fizykochemicznymi i aktywnością biologiczną odmienną od ich większych odpowiedników materiałowych. – Kiedy materiał wyjściowy w mikroskali o określonej powierzchni zostanie podzielony na nanocząstki, tj. mniejsze cząstki, jego powierzchnia wzrośnie wielokrotnie. I to właśnie związek między powierzchnią a objętością skutkuje wyjątkowymi właściwościami nanocząstek – wyjaśnia prof. Mahendra Rai z Uniwersytetu Sant Gadge Baba Amravati w Indiach.

Nanocząstki mogą być głównie organiczne lub nieorganiczne. Wśród organicznych możemy wyróżnić np. liposomy, micele i dendrymery. – Liposomy to pęcherzyki utworzone z dwuwarstwy fosfolipidowej posiadające wolną przestrzeń w środku, w których można umieścić np. lek i dostarczyć go precyzyjnie do docelowego miejsca w organizmie, gdyż liposomy ulegną rozpadowi w kwaśnym środowisku nowotworu i zawarty w nim lek zostanie uwolniony – mówi prof. Patrycja Golińska z Katedry Mikrobiologii Wydziału Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych UMK. – Wśród nanocząstek nieorganicznych możemy wyróżnić nanocząstki metali takich jak srebro, złoto, tytan, miedź, tlenki metali (np. tlenek cynku) oraz półmetale (metaloidy) takie jak krzemionka, selen i aluminium. Na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika skupiamy się głównie na nanocząsteczkach metalicznych. Jak dotąd dysponujemy głównie biosyntezowanymi nanocząsteczkami srebra i złota. W ostatnich latach dokonaliśmy także biosyntezy nanocząstek tlenków cynku, miedzi i magnezu.

Nanocząstki można otrzymać na kilka sposobów, jednak w ostatnich latach coraz większym zainteresowaniem nanotechnologią cieszy się tzw. zielona synteza (synteza biologiczna lub biosynteza). – Jest przyjazny dla środowiska. W syntezie biologicznej, w przeciwieństwie do syntezy chemicznej czy fizycznej, do produkcji nanocząstek nie wykorzystuje się toksycznych związków i nie zużywa się dużych ilości energii – informuje prof. Co więcej, po chemicznym lub fizycznym wytworzeniu nanocząstek należy je jeszcze ustabilizować, czyli „powlec” innymi związkami chemicznymi, które z reguły są również toksyczne. Chodzi o to, że nanocząstki nie agregują, czyli nie łączą się ze sobą w większe struktury i nie tracą swojej powierzchni reakcyjnej, a co za tym idzie, swoich unikalnych właściwości.

zielona nanotechnologia

Biolodzy z Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu zainteresowali się biosyntezą, czyli syntezą nanocząstek przez mikroorganizmy, takie jak grzyby i bakterie, a także glony i rośliny. Podczas wizyty prof. Rai do Polski naukowcy skupili się na mikosyntezie, czyli syntezie nanocząstek z grzybów. – W ramach projektu, który prof. Rai na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika syntetyzujemy nanocząsteczki srebra z grzybów, głównie z rodzaju Fusarium, które porażają rośliny, w tym zboża, ale także z innych rodzajów, np. Penicillium, które rozwijają się np. w mandarynkach i cytrynach – mówi. prof. Golińska. – W tej produkcji nie stosuje się żadnych toksycznych związków i nie powstają toksyczne odpady.

Przewaga grzybów nad innymi mikroorganizmami w syntezie nanocząstek polega na tym, że wytwarzają dużą liczbę różnorodnych metabolitów, w tym wiele białek, w tym enzymy, a wiele z tych substancji może brać udział w redukcji jonów srebra do nanosrebra.

Formularze

Nanotechnologię można zastosować w najważniejszych obszarach życia człowieka: medycynie, rolnictwie i przemyśle opakowaniowym oraz przechowywaniu żywności. Nanocząstki wykazują dużą aktywność wobec różnych mikroorganizmów. Bardzo dobrze zwalczają drobnoustroje chorobotwórcze i hamują ich rozprzestrzenianie się, co można wykorzystać do produkcji różnych powierzchni i materiałów w szpitalach, jak np. maseczki z filtrem nanosrebra, które powstały w czasie pandemii Covid-19. Działają skutecznie przeciwko bakteriom opornym na powszechnie stosowane antybiotyki. Nanocząsteczki srebra mają także właściwości przeciwnowotworowe.

Nanomateriały są inteligentne, można je podawać np. dożylnie, ale działają w miejscu docelowym, czyli w guzie nowotworowym, a nie jak chemioterapia, która rozprowadzana jest po całym organizmie, niszcząc przy tym komórki nieprawidłowe i zdrowe – wyjaśnia prof. . W przypadku nanocząstek możemy zastosować terapię celowaną, w której lek przeciwnowotworowy zostanie uwolniony dopiero w miejscu guza. Same nanocząstki mogą być zarówno lekiem, jak i nośnikiem leku.

W rolnictwie nanotechnologię wykorzystuje się na trzy sposoby. Pierwszym z nich jest wczesne wykrycie patogenów roślin, zanim pojawią się pierwsze objawy chorób roślin. Elektroniczny nos to technologia, z którą na chwilę obecną nie mieliśmy do czynienia, ale dzięki zastosowaniu w tym urządzeniu nanomateriałów takich jak nanodruty czy nanopręty tlenku cynku, wykrywa on substancje lotne wytwarzane przez grzyby chorobotwórcze. Można by również zastosować inne rodzaje nanobiosensorów wykrywających DNA patogenów roślinnych, mówi prof. – Dzięki temu można zastosować odpowiednie zabiegi agrotechniczne zanim zaobserwujemy objawy porażenia roślin, np. przebarwienia, ataki czy martwicę blaszek liściowych.

Drugim aspektem jest zastosowanie roztworu nanocząstek do bezpośredniego zwalczania patogenów już rozwiniętych w roślinach. Takie nanocząstki działają na ogół w znacznie niższych stężeniach niż chemiczne środki grzybobójcze, więc ich stężenie w środowisku jest również znacznie niższe w porównaniu z powszechnie stosowanymi środkami grzybobójczymi.

Trzecim obszarem zastosowań nanomateriałów w rolnictwie jest dostarczanie roślinom składników pokarmowych. Podobnie jak w medycynie, same nanomateriały mogą być składnikiem odżywczym lub nośnikiem zawierającym składnik odżywczy, który może być uwalniany w kontrolowany sposób. Stosując nawozy tradycyjne, rolnicy dostarczają na pola w krótkim czasie ich duże ilości, których rośliny nie są w stanie wykorzystać, a duża ich część przedostaje się w głąb gleby do wód gruntowych, a w konsekwencji do zbiorników wodnych (wody powierzchniowe ). ). Niekorzystnie wpływa to na środowisko wodne, prowadząc do jego eutrofizacji. Nadmierne nawożenie szkodzi także mikroorganizmom glebowym i prowadzi do tzw. „Zmęczenie gleby”, czyli ciągły brak równowagi w zawartości składników pokarmowych, co negatywnie wpływa na wielkość plonów. Stosując nanokapsułkowanie, czyli umieszczanie w kapsułkach lub matrycach nanocząstek stanowiących składniki odżywcze dla roślin, możliwe jest aplikowanie tych składników odżywczych poprzez aplikację dolistną lub do gleby. Największą zaletą tego rozwiązania jest uwalnianie składników odżywczych w sposób kontrolowany, powolny i stały. To element zrównoważonego rozwoju, niezwykle dziś ważny – mówi prof. Promień.

Przyjazne grzyby

prof. Rai przyjechał do Polski na dwa lata dzięki stypendium Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej (NAWA). W ramach proponowanego projektu „Opracowanie nowych ekologicznych i biologicznie aktywnych nanomateriałów” wraz z zespołem w składzie: dr Patrycja Golińska (prof. UMK), dr Magdalena Wypij i doktorantka Joanna Trzcińska-Wencel, zajmowała się produkcja nanokompozytów na bazie pullulanu i nanocząstek srebra (AgNP) do zwalczania różnych mikroorganizmów. Pullulan, biodegradowalny polimer naturalny, został biosyntetyzowany przy użyciu grzybów (Aureobasidium pullulans) i połączony z nanocząsteczkami srebra, powstały w drodze zielonej syntezy z wykorzystaniem grzybów pleśniowych, o czym wspomniałem wcześniej – wyjaśnia prof. Golińskiej i stworzyliśmy folie, czyli cienkie i elastyczne arkusze, zatopione w nanocząsteczkach srebra. Testowaliśmy te folie m.in. pod kątem zwalczania patogenów odpowiedzialnych za zakażenia ran lub rozwijających się w żywności, takich jak Listeria monocytogenes czy Salmonella sp., innymi słowy, aby faktycznie przedłużyć okres przydatności do spożycia żywności.

Pullulan z dodatkiem nanocząstek srebra ma korzystne właściwości, dlatego może znaleźć zastosowanie np. w produkcji opakowań do żywności czy opatrunków przyspieszających gojenie się ran, chroniąc je przed rozwojem infekcji. – Gdy mamy rany bardziej rozległe, np. oparzenia, są one w dużym stopniu narażone na rozwój infekcji – wyjaśnia prof. Golińska – Zabezpieczenie takiego miejsca biodegradowalnym polimerem ze środkiem hamującym rozwój patogenów znacznie przyspieszy gojenie ran.

Zespół zamierza opatentować metodę otrzymywania nanokompozytów na bazie pullulanu i uwalniania nanocząstek z folii. Co więcej, prof. . „Mamy nadzieję, że książki te otworzą nowe możliwości w dziedzinie przyjaznych dla środowiska zielonych nanomateriałów”, mówi prof.

Ponadto podczas wizyty profesora ukazały się dwie prace badawcze, tj „Biogenne nanosrebro o działaniu antybakteryjnym i przeciwbiofilmowym oraz jego potencjał zastosowania w rolnictwie i przemyśle” (https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1125685) i „Doskonałe działanie gojące rany in vivo nanożelu srebra syntetyzowanego przez myko w różnych modelach ran szczurów” (https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.881404) i dwie inne „Biowytwarzanie nowych nanocząstek srebra i tlenku cynku z Fusarium solani IOR 825 i ich potencjalne zastosowanie w rolnictwie jako środków biokontroli fitopatogenów oraz stymulatorów kiełkowania nasion i wzrostu sadzonek” (https://doi.org/10.3389/fchem.2023.1235437) oraz „Folie na bazie pullulanu impregnowane nanocząsteczkami srebra ze szczepu JTW1 Fusarium culmorum do potencjalnych zastosowań w przemyśle spożywczym i medycznym” (https://doi.org/10.3389/fbioe.2023.1241739) ukazały się wkrótce po odejściu prof. Rai z Polski. Kolejnym wymiernym efektem prof. Rai z prof. Golińskiej z wizytą na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika będzie pracować przez 24 miesiące na stanowisku profesora nadzwyczajnego i przyjedzie do Torunia w październiku. Będzie także realizował projekt związany z zastosowaniem nanotechnologii w rolnictwie. Wyprodukuje bionanocząstki kapsułkowane kazeiną, które w przyszłości zostaną wykorzystane jako nawóz.

Celem zespołu badawczego UMK jest stworzenie nanopreparatów stosowanych jako nanonawozy i środki kontrolujące rozwój patogenów roślin, które będą mogły znaleźć szerokie zastosowanie w rolnictwie jako zamiennik stosowanych obecnie w dużych ilościach nawozów sztucznych i środków ochrony roślin. – Ma to na celu ograniczenie stosowania środków chemicznych w rolnictwie, prowadzenie do zrównoważonego rozwoju i łagodzenie skutków zmian klimatycznych – mówi prof.