معماری

بیوسنتز نانوذره طلا

یکی از دلایل تولید نانوذرات فلزی توسط میکروارگانیسم‌ها، کاهش اثرات سمی یون‌های فلزی موجود در محیط رشد میکروب‌ها می‌باشد. این امر موجب شده که میکروارگانیسم‌ها بتوانند بر روی غلظت‌های بالایی از یون‌های فلزی رشد نموده و زنده بمانند. میکروارگانیسم‌ها این عمل را از طریق احیاء بیولوژیکی یون‌های فلزی سمی با استفاده از آنزیم‌هایی مانند NADH ردوکتاز و یا نیترات ردوکتاز به عناصر فلزی کمتر سمی انجام می‌دهند.

احیاء فلزات توسط میکروارگانیسم‌ها به دو صورت درون و برون سلولی قابل انجام است. جایگاه احیاء یون‌ها و در نتیجه تولید نانوذرات بر اساس نوع میکروارگانیسم و نوع آنزیم‌های درگیر در فرایند احیاء که در درون یا بیرون از سلول قرار گرفته باشند، تعیین می‌گردد. به طور معمول تولید نانوذرات خارج سلولی در مقایسه با تولید درون سلول مناسب‌تر می‌باشد، زیرا در حالت درون سلولی نانوذرات در داخل بیوماس (Biomass) تولید می‌گردند که این امر خود نیازمند مرحله‌ای دیگر جهت جداسازی نانوذرات از بیوماس می‌باشد. همچنین از آنجایی که تولید نانوذرات در روش‌های درون سلولی همیشه عملی نیست، امروزه اکثر مطالعات بر روی روش‌های تولید بیرون سلولی متمرکز شده است.

از میان انواع مختلف نانوذرات فلزی تولید شده توسط میکروب‌ها تنها تعداد اندکی از آنها در مصارف پزشکی قابل استفاده هستند، زیرا نانوذرات تولیدی علاوه بر خواص منحصر به فرد خود باید با بدن انسان سازگار و سمیت کمی نیز برای فرد داشته باشند. بر همین اساس امروزه نانوذرات طلا به عنوان یکی از مناسب‌ترین گزینه‌ها مطرح می‌باشد. طلا دارای خواص ضدباکتری، ضدقارچی و ضدویروسی است. اخیراً نانوذرات طلا به منظور شناسایی DNA در محیط و درون بدن و نیز در درمان برخی سرطان‌ها استفاده شده است.

مطالعات مختلف نشان می‌دهند که باکتری‌های متفاوتی می‌توانند به روش خارج سلولی و در حضور کلرواوریک اسید 1 مولار، نانوذره طلا تولید کنند. در روش‌های آزمایشگاهی از آزمون‌های تغییر رنگ محیط کشت برای بررسی تجمع خارج سلولی ذرات فلزی استفاده می‌کنند (شکل1 و 2).

1

شکل 1: تعییر رنگ محیط کشت از زرد به صورتی به دلیل تولید نانوذرات طلا به روش خارج سلولی است. شکل الف محیط کشت پس از تولید نانوذرات طلا و شکل ب روماند پیش از افزودن کلرواوریک اسید را نشان می‌دهد.

 

شکل 2: شکل‌های میکروسکوپ الکترونی، گدازه نانوذرات طلا تولیدی توسط یکی از جدایه‌های باکتریایی را نشان می‌دهد. الف) تولید نانوذرات درون سلولی ب) تولید نانوذرات خارج سلولی

2

بررسی‌های ژنوتایپینگ جدایه‌های باکتریایی نشان می‌دهد که باسیلوس موجاونسیس
(
Bacillus mojavensis) و باسیلوس اسپیزیزنی (Bacillus spiedini) در کنار باسیلوس والیسمورتیس (Bacillus vallismortis) می‌توانند نانوذره طلا تولید کنند. البته در این روش که احیاء کلرواوریک اسید نام دارد، جنس باسیلوس به عنوان برترین سویه‌های تولیدکننده نانوذره طلا معرفی می‌شود. در جدول زیر باکتری‌هایی که توانایی تولید نانوذره طلا را دارند، نشان داده شده‌اند.

جدول 1: بیوسنتز نانوذرات طلا با استفاده از باکتری

Sl.n. Name of the bacteria Size and Shape of
the Nanoparticles
1 Bacillus subtilis 168 (Ehrenberg) Cohn 5-25 nm, Octahedral
2 Marinobacter Pelagius spp. nov., 20 nm, spherical
with occasional
nano-triangles
3 Lactobacillus spp. Beijerinck 20-50 nm,Hexagonal
4 Pseudomonas aeroginosa (Schroter) Migula 15-30nm
5 Rhodopseudomonas capsulata (sic) (Molisch) van Niel 10-20 nm, Spherical
6 Rhodopseudomonas capsulate (sic) (Molisch) van Niel 10-20nm, nanowires
7 Escherichia coli (Migula) Castellani and Chalmers 20-25 nm
8 Klebsiella pneumoniae (Schroeter) Trevisan 35 to 65 nm, spherical
9 Pseudomonas fluorescens (Flugge1886) Migula, 1895 50-70 nm, spherical
10 Stenotrophomonas malophilia (AuRed02) 40 nm, spherical
11 Escherichia coli K12 50 nm, circular
12 Geobacillus spp. strain ID17 5-50 nm and , 10-20 nm quasi- , hexagonal

 

تولید بیونانوذرات پالادیم توسط باکتری فلزدوست

نانوذرات پالادیم به علت خصوصیات ویژه فیزیکی و شیمیایی کاربردهای فراوانی در ساخت ابزارهای نوری، الکترونیک، دندانپزشکی و بویژه کاتالیست‌ها دارند. اخیراً روش‌های زیستی به عنوان روش‌های دوستدار طبیعت مورد توجه بسیاری قرار گرفته‌اند از این رو تولید بیونانوذرات پایدار پالادیم توسط یک سیستم زیستی باکتری فلزدوست necator Cupriavidus نیز مورد بحث قرار می‌گیرد.

ارگانیسم necator Cupriavidus به صورت زنده و غیرزنده قادر به احیاء فلز پالادیم و تشکیل بیونانوذرات در سطح دیواره سلولی می‌باشد (شکل 3). عدم تولید نانوذرات در اسفروپلاست و همچنین نتایج شبیه‌سازی سطح سلول توسط میکروپارتیکل‌های آمین و کربوکسیل‌دار دلیلی بر این است که تولید بیونانوذرات توسط مکانیسمی مستقل از فعالیت متابولیکی و آنزیمی در ارتباط با گروه‌های آمین و کربوکسیل موجود در دیواره سلولی این باکتری صورت می‌گیرد.

3

شکل 3: سنتز زیستی پالادیوم را نشان می‌دهد. نانوذرات پالادیوم در دیواره بیرونی باکتری تجمع کرده‌اند.

سنتز نانوذرات با استفاده از اکتینومیست

اکتینومیست‌ها ارگانیسم‌های گرم مثبت پروکاریوت هستد که در راسته اکتیتومیستال قرار می‌گیرند و وابسته به باکتری‌های گروه کورینه‌فرم می‌باشند. اکتینومیست‌ها در بافت و یا محیط کشت ایجاد سلول‌های کشیده و رشته مانند صاف یا مواج می‌کنند که ممکن است یک شاخه یا دوشاخه‌ای باشند. این ارگانیسم‌ها در بافت‌ها دانه ایجاد می‌کنند که در واقع میکروکلنی ارگانیسم در بافت است.

اکتینومیست‌ها دارای آنزیم‌هایی هستند که باعث مرگ باکتری‌ها و برخی قارچ‌ها می‌شوند، به همین دلیل در تولید آنتی‌بیوتیک‌ها از آنها استفاده می‌شود.

امروزه اثبات شده است که به وسیله این خانواده می‌توان نانوذرات طلا و نقره تولید کرد که به وسیله‌ پروتئین‌های ترشحی، تثبیت می‌شوند. گروه آمین آزاد و یا رزیدوهای سیستئین در پروتئین‌ها می‌تواند به نانوذرات طلا تولید شده، اتصال یابد. این پروتئین‌های اختصاصی بین 10 تا 80 کیلودالتون هستند و چهار پروتئین در بین آنها بر اساس خوانش ژل الکتروفورز تشخیص داده شده‌اند. این پروتئین‌ها می‌توانند با تعاملات متفاوت با نانوذرات طلا، شکل و اندازه نانوذرات را کنترل کنند. نتایج عمل این پروتئین‌ها بر روی نانوذرات به وسیله کریستالوگرافی تشریح شده است.

همچنین این اکتینومیست‌ها با توانایی منحصر به فرد خود در تولید آنتی‌بیوتیک و متابولیت‌های ثانویه یک ارگانیسم خاص برای تولید نانوذرات فلزی در نظر گرفته می‌شوند. این میکروارگانیسم‌ها می‌توانند تحت شرایط شدیداً قلیایی و در دماهای بالا، یون‌های طلا در اندازه 8 نانومتر را سنتز کنند. خانواده Thermomonospora spp. در این جنس با این توانمندی شناسایی شده‌اند. همچنین Rhodococcus spp. نیز برای ستنز نانوذره طلا استفاده شده است. نانوذراتی که این جنس تولید می‌کنند بین 5 تا 15 نانومتر قطر دارند. مطالعات بر روی این جنس نشان داده است که غلظت نانوذرات در دیواره سلولی نسبت به غشای سلولی بیشتر است. کاهش نانوذرات طلا با توجه به آنزیم‌های موجود در غشا است. این تولید به روش خارج سلولی می‌باشد.

سنتز نانوذرات با استفاده ازمخمر

مقالات متعددی وجود دارد که نشان می‌دهد که انواع مخمرها می‌توانند فلزات سنگین را در خود جمع کنند. آنها توانایی جمع‌آوری میزان قابل ملاحظه‌ای از فلزات سنگین بسیار سمی را نیز دارند.

اکسیداسیون آنزیمی و یا کاهش جذب در دیواره سلولی مخمرها و در برخی موارد ترشح پپتیدهای خارج سلولی و پلی‌ساکاریدی و کنترل حمل‌ونقل بر روی غشاء سلولی توسط پمپ‌های ترشحی، مکانیسم‌هایی هستند که برای غلبه بر فلزات سمی توسط مخمرها استفاده می‌شوند. در بین این روش‌ها کنترلرهای درون سلولی باعث تنظیمات دقیق از ورود یون‌های فلزی سمی به داخل سلول می‌شود. سمیت مواد بر روی سلول با نتایج پیش از ذخیره‌سازی یون‌های فلزات اساسی و بعد از در معرض قرار گرفتن سلول مورد ارزیابی قرار گرفته است.

نتایج به دست آمده نشان داده است که مخمرها طیف و اندازه وسیعی از نانوذرات را می‌توانند با توجه به مکانیسم‌های متفاوت تولید کنند. مهم‌ترین مکانیسم تولید نانوذرات هم مکانیزم‌های سم‌زدایی در سلول‌های مخمر است که به گلوتاتیون و دو گروهligands-metallothioneins و phytochelatins وابسته است. در اکثر جنس مخمرهایی که تا به حال مورد مطالعه قرار گرفته است این مولکول‌ها و اتصالات آنها، می‌تواند شکل نانوذرات و پایداری آنها را کنترل کند. همچنین ظرفیت سلولی مخمر برای جذب یون‌های فلزی و تبدیل کردن آنها به ترکیبات پلیمری پیچیده که سمی نیستند به عنوان میزان مقاومت سلول در نظر گرفته می‌شود. مخمرها معمولاً به عنوان تولید کننده کریستال‌های نیمه‌هادی (Semiconductor crystals) و یا کریستال‌های نیمه‌هادی کوانتومی (Quantum semiconductor crystals) شناخته شده‌اند. یکی از این مواد نیمه‌هادی، سولفید کادمیوم(Cadmium Sulfide (CdS)) است. در معرض قرار گرفتن سلول‌های مخمر با یون‌های Cd2+ منجر به شلاته شدن فلزی پپتیدها گشته و در ادامه، این فرایند به وسیله‌ی افزایش غلظت سولفید درون سلولی و تشکیل نانوبلورهای Cds همراهی می‌شود. مقادیر کم Cds که به روش زیستی سنتز شده‌اند، فلزدار شده و به وسیله‌ی پپتیدها، گلوتاتیون و مشتقات فیتوکلاتین (Phytochelatins) تثبیت می‌شوند.

اخیراً نیز بر اساس آزمون‌های غربالگری متراکم، کوشیک و همکارانش موفق شدند که با مخمر جنس Torulopsis بلورهای نانو گونه PbS به صورت درون سلولی سنتز نمایند. این بلورها زمانی که مخمر در معرض یون‌های Pb2+ قرار بگیرد، در این جنس ساخته می‌شوند. مطالعه دیگری نشان داد که Yarrowia lipolytica نیز همین خاصیت را دارد.

Yarrowia lipolytica که به صورت معمول Candida lipolytica نامیده می‌شود در غلظت‌های بسیار پایین نیکل و کادمیوم مکانیسم متالوتیونینز (Metallothioneins) را فعال می‌کنند. در این مکانیسم، فلزات به پروتئین‌ها متصل می‌شوند. این مخمر به واسطه این مکانیسم‌ها هیدروکربن‌ها را کاهش داده اما در برابر فلزات سنگین مقاومت ایجاد می‌کند. آنزیم‌های دخیل در این روند، آنزیم‌های مؤثر در سم‌زدایی (Detoxification) هستند. لازم به ذکر است که با توجه به مکانیسمی که در بالا به آن اشاره شد، این مخمر برای اصلاح محیط زیست از آلاینده‌هایی مانند فلزات سنگین بسیار مؤثر است، چرا که نه تنها این آلاینده‌ها را کاهش می‌دهد بلکه تولید نانوذرات فلزی از آلاینده‌ها را نیز موجب می‌شود.

مطالعات دیگری نیز نشان داده که مخمرها می‌توانند نانوذرات نقره را نیز سنتز کنند. یوکاریوت‌ها و گونه‌های قارچی، بیشتر در مبحث بیوپروسیسینگ و جنبه‌های مختلف آنها مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. جدول زیر، مخمرهای تولیدکننده نانوذرات را نشان می‌دهد.

جدول 2: بیوسنتز نانوذرات با استفاده از مخمر

Sl.no. Name of the Yeast Nanoparticle
synthesized, size,
shape
1 Pichia jadinii (Sartory, R.
Sartory,Weill & J. Mey.) Kurtzman
Gold,<100 nm,
Spherical
2 Yarrowia lipolytica 3589(Wick.,
Kurtzman & Herman) Van der Walt
& Arx
Gold,15 nm,
hexagonal
3 Saccharomyces cerevisiae (Meyen
ex E. C. Hansen)
TiO2 ,12 nm,
Spherical
4 Saccharomyces cerevisiae
(Meyen ex E.C. Hansen)
Sb2O3,
5 Saccharomyces cerevisiae
(Meyen ex E.C. Hansen)
Amorphous iron
phosphate, 50-
200nm, Spherical

 

نانوذره طلا با اندازه 100 نانومتر به وسیله گونه Pichia jadiniiکه به صورت معمول Candida utilis نامیده می‌شود سنتز شده است. مکانیسم تولید نانوذرات طلا درPichia jadinii بر اساس احیاء یون‌های طلا در سیتوپلاسم و دیواره غشاء سلولی است. یک ویژگی کلوئیدی مهمی که نانوذرات سنتزی با مخمرها دارند، تبلور (Crystallinity)، توزیع اندازه‌های باریک و حلالیت آبی آنهاست. با توجه به پوششی که پپتیدهای مخمر تولید می‌کند، ذرات به صورت کلوئیدی به یکدیگر متصل نشده و در نتیجه ثبات بالاتری نسبت به سنتز به روش‌های شیمیایی دارند. علاوه بر این حضور پوشش پپتیدی، سطح هیدروفیلی بدون نیاز به مراحل آماده‌سازی اضافی را بر روی سطح نانوذرات ایجاد می‌کند. از مخمرهای دیگری که می‌توانند تولید نانوذره از فلزات سنگین کنند می‌توان به کپک نان (Baker’s yeast) یا ساکارومایسس سرویزیه (Saccharomyces cerevisiae) اشاره کرد. اغلب مخمرها به صورت داخل سلولی تولید نانوذره می‌کنند.

 

دکتر رضا میرنژاد(دانشیار دانشگاه)، وهاب پیرانفر( کارشناش ارشد)، الهام زندگانی (کارشناس ارشد)

ماهنامه اخبار آزمایشگاهی

پاسخ دهید