Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка научно-технических основ биосинтеза наночастиц серебра с помощью ароматических растений и бактерий Индии и России. Изучение перспектив их применения для борьбы с распространением социально значимых инфекционных заболеваний

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
ароматические растения, бактерии, наночастицы серебра, антибактериальное действие, биопленки, характеристика наночастиц серебра, sem, ft-ir

Цель проекта:
Задачей, на решение которой направлен данный проект, является разработка технологии биотехнологического получения наночастиц серебра, предназначенных для лечения и предотвращения широкого спектра социально значимых заболеваний. Целью работы является разработка методов получения наночастиц серебра с помощью бактерий и растений России и Индии, а также изучение их физико-химических и биологических свойств, включая воздействие на возбудители социально значимых заболеваний.

Основные планируемые результаты проекта:
Ожидаемые результаты:
1. Экспериментальные образцы НЧС, полученных с помощью различных бактерий и растений, распространённых на территории России и/или Индии (подлежат получению как российским, так и индийским партнёром).
2. Методика получения НЧС с помощью бактериальных культур.
3. Методика получения НЧС с помощью ароматических растений (подлежит получению индийским партнёром).

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Настоящий проект направлен на получение НЧС биологическим методом с использованием экстрактов растений и бактериальных культур, скрининг растений и бактерий, наиболее перспективных для получения НЧС, и использование НЧС для борьбы с возбудителями социально значимых инфекционных заболеваний. Основное внимание будет обращено на контроль инфекций, вызванных бактериями.
В рамках проекта предполагается провести скрининг индийских и российских растений и бактерий для получения НЧС биологическим методом. Новизна этой части работы будет, прежде всего, заключаться в том, что для биосинтеза НЧС будут использованы растения, растущие в различных географических зонах обеих стран, с различным химическим составом. Это открывает новые возможности для получения НЧС различного размера и формы, с различными свойствами. Это же относится к использованию бактерий для биогенеза НЧС. Участники проекта из Института молекулярной генетики РАН имеют большую коллекцию бактерий различных таксономических групп, выделенных в разных географических зонах из почвы, воды, ризосферы растений. НЧС, полученные биологическим методом, будут тщательно охарактеризованы с помощью набора физико-химических методов, включающих изучение наноструктуры частиц. Морфологические особенности полученных НЧС предполагается охарактеризовать методами РЭМ (растровой электронной микроскопии)
и ПЭМ (просвечивающей, или трансмиссионной, электронной микроскопии). Особое внимание будет уделено изучению формы и расстояния между отдельными НЧС. Данные параметры оказывают существенное влияние на свойства НЧС в оптическом диапазоне длин волн, где для серебряных частиц выполняется условие плазмонного резонанса. Планируется изучение плазмонного резонанса в различных полученных системах, как с помощью аналитического оборудования, так и с помощью микроскопии. Дело в том, что спектральное положение плазмонного резонанса сильно зависит от оптических свойств веществ, которые окружают НЧС. Данное обстоятельство имеет особенно существенное значение при изучении сложных биологических систем с НЧС, где будет возможно предсказать распределение оптических
свойств отдельных составляющих сложной системы с субмикронным/нанометровым пространственным разрешением. Сечение поглощения НЧС в полосе плазмонного резонанса имеет очень высокое значение. Для НЧС с размером менее 30 нм существенная доля поглощенной энергии света диссипирует в тепло, что приводит к локальному разогреву окружения вблизи наночастицы. Этот эффект имеет существенное
значение для подавления жизнеспособности бактерий и/или личинок комаров. Другим важным аспектом плазмонного резонанса является резкое усиление электромагнитного поля вблизи поверхности НЧС – среди прочих плазмонных наночастиц серебро является лидером по коэффициенту усиления поля. Это обстоятельство приводит к усилению различного рода нелинейных процессов в ближней зоне наночастицы (напр. SERS), что также позволит изучить молекулы из ближнего окружения НЧС. Наконец, плазмонный резонанс также чувствителен к разного рода эффектам на поверхности НЧС, например, фотопереносу электрона под действием специально подобранной длины волны света. С помощью методов фемтосекундной спектроскопии с разрешением вплоть до 20 фс возможно наблюдать динамику данного процесса, по которой, в частности, можно будет делать выводы о физико-химических свойствах окружения НЧС. Под действием света, как показывают наши предварительные данные по фемтосекундной спектроскопии при фотовозбуждении НЧС, возможна инжекция электрона в окружающую среду. Этот эффект приводит к фотоактивированному растворению НЧС и выходу ионов серебра в раствор. Описанный физико-химический механизм антибактериального действия будет изучен в данном проекте. Далее, с целью определения перспектив использования НЧС, будут исследованы их биологические свойства. Будет определена выживаемость бактерий при действии НЧС, полученных с использованием различных растений и бактерий. Кроме того, будут проведены эксперименты по определению действия НЧС на образование биопленок бактерий и зрелые биопленки. Основными объектами исследования в этой работе будут штаммы Escherichia coli K12 и условно патогенной бактерии Pseudomonas aeruginosa, возбудителем серьезных госпитальных инфекций. Как известно, большинство бактерий существуют в природных условиях (в почве, воде, ризосфере растений, в организмах животных и человека) в виде сложно организованных сообществ, прикрепленных к различным поверхностям - биопленок. Биопленки имеют сложную архитектуру - они заключены в экзополимерный матрикс, содержат каналы, наполненные жидкостью, через которые происходит приток питательных веществ и выведение продуктов метаболизма бактерий. Изучение биопленок вызывает огромный интерес в последние годы. Их исследование важно, главным образом, потому, что способность бактерий существовать в составе биопленок создает серьезные трудности в медицинской практике. Бактерии, живущие внутри биопленок, проявляют значительно более высокую устойчивость к действию антибактериальных факторов, включая антибиотики и др. – до 1000 раз по сравнению со свободно плавающими клетками. Патогенные бактерии могут образовывать биопленки на различных устройствах, применяемых в медицине, например, катетерах, линзах, клапанах сердца и сосудов, что приводит к возникновению трудно излечиваемых хронических инфекций. Поэтому поиск и изучение веществ, которые могут подавлять образование биопленок, убивать патогенные бактерии, живущие в биопленках, является чрезвычайно важной задачей. НЧС представляются перспективными соединениями для борьбы с биопленками бактерий.

Таким образом, для достижения цели работ, проведение которых планируется в ходе выполнения настоящего проекта, необходимо решить ряд задач, основными из которых являются:
- скрининг растений и бактерий для получения НЧС;
- получение НЧС биотехнологическими методами для дальнейшего их исследования и определения их биологической активности;
- характеристика полученных НЧС, определение их физико-химических свойств (форма, агломерация НЧС, спектральные свойства отдельных НЧС, спектральные свойства агломератов НЧС и др.);
- выяснение закономерностей и механизма антибактериального действия НЧС в отношении свободно плавающих клеток бактерий, образования бактериальных биопленок и зрелых биопленок.


Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Разработанные методики получения НЧС могут быть использованы:
- для получения НЧС разных размеров и формы, применяемых в различных областях народного хозяйства и медицины;
- можно предполагать, что полученные НЧС будут активны против вредоносных для человека насекомых, например, для гнуса, распространенного в огромных количествах в северных районах России, в тайге, и малярийного комара, активность которого является одним из важнейших факторов заболеваемости в Индии; однако, проверка этого предположения потребует дополнительных исследований;
- предлагаемые методы являются экологически чистыми и могут быть применяться в решении более широкого круга задач в смежных направлениях нанохимии.
Также среди исследованных растений и бактерий будут отобраны наиболее перспективные кандидаты для создания высокоэффективных биопродуцентов НЧС, в том числе методами получения мутантных штаммов и трансгенных растений, устойчивых к высоким концентрациям серебра.

Текущие результаты проекта:
Исследованы возможности использования культур бактерий для получения наночастиц серебра и золота. Разработана методика получения НЧС с помощью культур бактерий различных таксономических групп.Разработаны и апробированы программа и методики исследования физико-химических свойств НЧС. Проведен скрининг бактерий различных таксономических групп, выявлены бактериальные штаммы, перспективные для получения НЧС и НЧЗ методом биогенеза в бактериальных культурах. Эти исследования показали, что перспективными для получения наночастиц являются азотфиксирующие цианобактерии, растущие в условиях азотфиксации. Установлено, что процесс азотфиксации важен для восстановления катионов серебра и золота и образования наночастиц.
Иностранным партнёром разработаны принципы скрининга ароматических растений для выявления потенциальных биопродуцентов наночастиц благородных металлов. Выполнен скрининг ароматических растений, исследована способность 20 экстрактов различных растений, приготовленных различными способами, образовывать НЧС в присутствии соли нитрата серебра. Отобраны наиболее перспективные экстракты растений для дальнейшего анализа. Разработана методика получения НЧС с помощью ароматических растений.