Актуальность нанотехнологий растет с каждым днем. Например, наночастицы металлов доказали неоспоримые преимущества и успешно используются в производстве товаров, которыми ежедневно пользуется каждый из нас:
- косметическая продукция (кремы с SPF, увлажняющие средства, зубные пасты, дезодоранты, сыворотки и др.);
- электроника (полупроводники, батареи и др.);
- нефтехимическая промышленность (топливные добавки);
- пищевая продукция (пищевые добавки, упаковка);
- медицинские и фармацевтические товары (вакцины, противомикробные препараты, препараты для химиотерапии, хирургические инструменты и др.);
- текстильной промышленности (ткани с повышенной противомикробной защитой);
- сельскохозяйственной промышленности (противогрибковые средства для скота, средства от вредителей для агрокультур).
Но методы получения наночастиц сильно влияют на их безопасность и область применения. Физические методы синтеза, как правило, очень дорогие, занимают много времени и требуют больших затрат энергии, а химические — чрезвычайно опасны для здоровья людей и окружающей среды. Такие наночастицы не подходят для применения в пищевой промышленности и производства лекарств. В качестве экономичной и экологически чистой альтернативы традиционным абиотическим физико-химических методам синтеза, сегодня используются биологические методы синтеза, в частности микосинтез.
Что такое микосинтез?
Микосинтез — новое явление в современной биотехнологии, где для получения биогенных наноматериалов используются разные грибные биоматериалы: сырой экстракт (например, из плодовых тел), экстракт мицелия, сырые и очищенные формы полисахаридов, а также другие биоактивные вещества (белки, ферменты и прочие). Существуют методы внутриклеточного и внеклеточного микосинтеза наночастиц, так как эти вещества присутствуют в плодовом теле гриба или мицелии либо внутриклеточно, либо внеклеточно. [1].
При внутриклеточном синтезе прекурсор металла (химическое соединение металла, используемое для выделения его наночастиц — соли, оксиды, гидроксиды и др.) добавляется в мицелиальную культуру и интернализируется в биомассе. При таком методе, после синтеза требуется извлечение наночастиц из клеток, затем химическая обработка, центрифугирование и фильтрация. При внеклеточном синтезе прекурсор металла добавляется в водный фильтрат, содержащий только биомолекулы уже так или иначе обработанного (разрушенного) гриба, в результате чего образуется свободные наночастицы в виде дисперсии. Это наиболее широко используемый метод, поскольку он не требует дополнительных шагов для выделения частиц из клеток. Но дисперсию наночастиц все равно необходимо подвергать очистке, чтобы удалить остатки грибов и примесей. Для этой цели подойдет обычная фильтрация, мембранная фильтрация, гель-фильтрация, диализ или ультрацентрифугирование [2].
Как происходит микосинтез?
Для разных биологических организмов характерны различные механизмы синтеза наночастиц, но ключевым отличием грибов является реакция восстановления. Как правило, прекурсоры металлов, токсичны для грибов. При воздействии с токсинами, грибы выделяют разнообразные ферменты, белки или пептиды. Эти вещества вступают реакцию с солями металлов и восстанавливают их до металлических наночастиц. Причем восстановитель в клетках грибов подбирается в зависимости от типа токсичных ионов металла.
В некоторых случаях определенный ион металла вызывает у грибов сильный окислительный стресс, и тогда грибные клетки выделяют специфические белки для подавления этого токсического воздействия. В итоге, можно регулировать размер и форму наночастиц, если учитывать выделения определенных ферментов и белков [3].
Не менее важную роль в реакциях восстановления играют полисахариды, которые в большом количестве присутствуют в грибах, за счет высокого содержания в них альдегидных и кетоновых функциональных групп. Эти органические соединения окисляются до карбоновых кислот под действием солей металлов, в результате чего образуются свободные ионы металлов. Ярким примером этого взаимодействия служит известная всем со школьной скамьи реакция серебряного зеркала.
Таким образом, свойства наночастиц зависят не только от типа металлов и их прекурсоров. Например, однотипные наночастицы, полученные с использованием разных грибных культур, также различаются по целому ряду характеристик [2].
Области применения микогенных наночастиц
Терапевтический потенциал материалов из микосинтезированных наночастиц трудно переоценить. Он востребован в области создания новых лекарственных препаратов (главным образом антибактериальных, противогрибковых и противораковых) и при разработке биосенсоров.
Преимущество наночастиц, полученных в результате микосинтеза, во многом обусловлены все теми же грибными полисахаридами. Помимо способности восстанавливать прекурсоры металлов, полисахариды играют роль стабилизирующих агентов — они образуют покрытие на поверхности наночастиц и препятствуют увеличению их размеров и агломерации (слипанию). Таким образом, частицы металлов не превышают наноразмеры, и в водном растворе находятся в свободном виде. Благодаря полисахаридной оболочке, микогенные наночастицы обладают такими ценными биологическими свойствами, как биосовместимость, обладают антибактериальным и противогрибковым эффектами и оказывают антипролиферативное действие на раковые клетки [4].
Кроме того, полисахаридное покрытие обеспечивает хорошее взаимодействие с клеточной стенкой организма-мишени и облегчает встраивание в клетку наночастиц. Полученные в результате микосинтеза наночастицы, хорошо диспергированы (не слипаются), и их эндоцитоз (проникновение в клетку) проходит намного легче и быстрее, чем у наночастиц, полученных традиционным синтезом. Это чрезвычайно важно при их медицинском использовании. Помимо полисахаридов, другие биомолекулы, присутствующие в грибах (фенольные вещества, белки, терпеноиды и пр.), тоже играют важную роль в стабилизации наночастиц [5].
Промышленное применение микосинтезированных наноматериалов ориентировано на контроль качества в пищевой промышленности, изготовление косметики, разработку сенсоров на основе наночастиц, создание новых схем очистки сточных вод и водоподготовки.
В сельском хозяйстве наиболее перспективные области применения микосгенных наночастиц включают разработку нанопрепаратов для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и раннего обнаружения заболеваний растений, создание интеллектуальных систем земледелия, а также использование биомиметических моделей для повышения эффективности сельскохозяйственного производства.
Согласно исследованиям, наиболее перспективными для использования в медицине, промышленности и сельском хозяйстве могут оказаться микогенные наночастицы серебра, золота, селена, меди, оксида титана, оксида цинка и графена.
Учитывая перечисленные удивительные свойства металлических наночастиц и все плюсы и минусы методов их получения, неудивительно, что ученым сегодня хватает работы. Они ищут способы ускорить процесс внедрения растительных технологий производства наночастиц и отказом от физико-химических способов. По мнению многих исследователей, это лишь вопрос времени, ведь от этого зависит экономика, экология и развитие медицины во всем мире.
Статья подготовлена с использованием материалов Михаила Владимировича Вишневского.
Источники:
- Owaid M.N., Raman J., Lakshmanan H. et al. Mycosynthesis of silver nanoparticles by Pleurotus cornucopiae var. citrinopileatus and its inhibitory effects against Candida sp. Materials Letters, 2015, v. 153, pp. 186–190.
- Sudheer S., Bai R.G., Muthoosamy K. et al. Biosustainable production of nanoparticles via mycogenesis for biotechnological applications: A critical review. Environmental Research, 2022, v. 2014, an 111963
- Banerjee K., Ravishankar Rai V. A review on mycosynthesis, mechanism, and characterization of silver and gold nanoparticles. BioNanoScience, 2018, v. 8, pp. 17–31.
- Bhardwaj K., Sharma A., Tejwan N. et al. Pleurotus macrofungi-assisted nanoparticle synthesis and its potential applications: a review. Journal of Fungi, 2020, v. 6, an 351.
- Chaichian S., Moazzami B., Sadoughi F. et al. Functional activities of beta-glucans in the prevention or treatment of cervical cancer. Journal of Ovarian Research, 2020, v. 13, an 24.