اثرات نانوساختارهای فلزی بر روی باکتری‌ها
(قسمت اول- کلیات)
دکتر رضا میرنژاد (دانشیار دانشگاه) – وهاب پیرانفر (کارشناس ارشد)- محمد عرفانی (کارشناس ارشد)
مقدمه
پیشرفت‌های اخیر و مطالعات گوناگون جدید از ساختارهای نانو فلزات، فعالیت جدیدی را در زمینه زیست‌شناسی این نانوساختارها به همراه داشته است. درک ما از اندازه، شکل و شیمی سطحی نانوساختارها افزایش پیدا کرده و این موضوع در کنار تحقیقات جدید زیستی باعث شده است تا این دو رشته در کنار یکدیگر بیش از پیش همراه باشند. یکی از زمینه‌هایی که زیست‌شناسان از این تکنولوژی بهره‌برداری می‌کنند، اثرات ضد میکروبی آن‌هاست که با توجه به ناکارآمدی علم حاضر برای درمان بیماری‌ها با مواد ضدمیکروبی، شاید راهکارهای جدیدی را برای درمان اراده دهد. همچنین امیدوارم کارآمدی علوم جدید نانوتکنولوژی، ژنومیکس و پروتئومیکس کلید راهی باشد برای نیل به این مهم.
اما آیا این امکان وجود دارد که نانوساختارهای فلزی در پیشرفت هماهنگ و چرخه‌های سلولی میکروارگانیسم‌ها اختلال ایجاد کنند؟ چرا توجه به تغییراتی که نانوذرات فلزی در سازماندهی سلول‌های زنده به وجود می‌آورد، اهمیت دارد؟ این تغییرات در چه سطحی باکتریوسید هستند؟ چگونه پروتئین‌های سلولی به وسیله این ساختارهای عجیب تغییر می‌کنند؟ آیا این تعاملات پیچیده در ساختارهای نانوذرات فلزی، به صورت هماهنگ و تکامل یافته‌ای عمل می‌کنند؟ و نهایتاً این تعامل فیزیکی– باکتریایی در ارتباطات مولکولی سلول‌ها نقش دارند؟
برای دانستن پاسخ این سؤال‌ها قسمت‌های بعدی را حتماً دنبال کنید. در این قسمت و بخش بعدی سعی شده است هر آنچه مربوط به کنش، واکنش و پاسخ‌دهی نانو ذرات فلزی است، بیان شود. در قسمت‌های آتی به روش‌های سنتز نانومواد فلزی پرکاربرد پرداخته شده و در نهایت، در قسمت‌های آخر بر ساختار نانوذره نقره مطالعه‌ای دقیق‌تر خواهیم داشت.
برای شروع، چند عامل که بر فعالیت ضد باکتری نانوساختارهای فلزی اثرگذار هستند را مورد بحث قرار می‌دهیم:
سطح نانوساختارهای فلزی
اولین سدی که نانوساختارهای فلزی با آن برخورد خواهند کرد، اتصال به دیواره سلولی باکتری‌هاست. این تماس می‌تواند نیروی‌های الکترواستاتیک بسیار زیادی را تغییر داده و همینطور فعل و انفعالاتی در سطح مولکولی ایجاد کند. این برخورد می‌تواند باعث تغییرات مورفولوژی و ساختاری در باکتری شود که گاهی خسارت زیاد و حتی مرگ سلولی را به دنبال دارد. اندازه نانوساختارهای فلزی نقش بسیار مهمی را در ارتباط با آنزیم‌های سلولی، پورین‌های غشاء سلولی (کانال‌های انتقال مواد در غشاء)، فرایندهای غشایی، چاپرون‌ها، اختلال در پری‌پلاسم و اتصالات پپتیدی پروتئین‌های دیواره سلول باکتری، بازی می‌کنند.
ویگنتون و همکارانش گزارش داده‌اند که نانوذرات نقره با اندازه 30 نانومتر می‌توانند به اسیدآمینه تریپتوفان در باکتری اشریشیاکلی متصل شده و ساختار سه بعدی این اسیدآمینه را تحریف کنند. این تغییر می‌تواند منجر به ایجاد اختلالات مورفولوژیکی در فیلامنت‌های سلولی شده و به DNA اتصال یابد. وابستگی تعاملات سلولی و اندازه نانوساختارهای فلزی در باکتری‌های گرم منفی به صورت وسیعی مورد مطالعه قرار گرفته است، اما مطالعات بسیار کمی در مورد شکل نانوساختارهای فلزی دسترس است.
گزارشات نشان می‌دهد که نانوپلیت‌های نقره به صورت مثلثی، فعالیت ضد باکتریایی قوی‌ای نسبت به اشریشیاکلی دارند. البته در مقایسه‌ای بین نانوذرات کروی، نانوذرات میله‌ای و یون نقره انتظار داریم که رابطه عکس اندازه و فعالیت ضد میکروبی رخ دهد؛ یعنی هرچه ذرات کوچک‌تر شوند، خاصیت ضد باکتریایی آن‌ها افزایش پیدا می‌کند. امروزه با توجه به ساخت نانوذره گرزی شکل از خانواده نانوپلیت‌ها به روش فیزیکی مشخص شده است که آن‌ها از نانوذرات مثلثی نیز بهتر عمل می‌کنند.
نفوذ ذرات (درون‌روی ذرات)
این اصطلاح مهم دیگری است که خاصیت باکتریوسید نانوساختارهای فلزی را کنترل می‌کند. مکانیزم دقیقی که ساختارهای نانوذرات با اندازه کوچک بتواند از قسمت‌های آسیب‌دیده و آسیب‌پذیر وارد غشاء سلول باکتریایی شوند، شامل این مبحث می‌شود. شارژ سطحی غشاء باکتریایی و نانوساختارهای فلزی تأثیر قابل توجهی بر درون‌رَوی یا درونی کردن نانوساختارهای فلزی دارد. احتمال می‌رود که جاذبه‌های الکترواستاتیک بین این سطوح و بار مثبت دامنه خارجی پروتئین‌های غشاء سطح سلولی نیز مؤثر باشند. البته شکی نیست که سایز و شکل نانوذرات باید نقش اصلی را ایفا کند. مطالعات میکروسکوپ الکترونی نشان داده است که نفوذ نانوساختارهای فلزی به درون غشاء باکتریایی چگونه صورت گرفته است. این ذرات هم در سطح خارجی و هم در سطح داخلی غشاء قرار گرفته‌اند.
انباشتگی نانوساختارهای فلزی در طول زمان
انباشتگی می‌تواند بر فعالیت ضد میکروبی و ضد باکتریایی نانوساختارهای فلزی تأثیر قابل‌توجهی داشته باشد. نانوذراتی که به صورت پراکنده هستند و یا نمی‌توانند تجمیع یابند، ساختار داخلی باکتریایی را نمی‌توانند به طور قابل‌توجهی مورد هدف قرار دهند. واکنش‌های سطحی نانوذرات با یکدیگر و سطح غشاء با میزان تراکم موضعی و همین طور غلظت آن‌ها در اطراف باکتری ارتباط مستقیم دارد. مانند خاصیت بیوفیزیک و بیوشیمی نانوذرات باکتری که فعالیت‌های متابولیکی اصلی باکتری را تحت کنترل می‌گیرد، در میزان انباشتگی محاسبه می‌شود. قابلیت تراکم یا انباشتگی نانوساختارهای فلزی در طول زمان می‌تواند، حداقل میزان مهارکنندگی (MIC) و حداقل میزان کشندگی (MBC) را نیز تحت‌تأثیر قرار دهد.
عامل‌های شیمیایی نانوساختار فلزی
معمولاً برای کاربردی کردنِ نانو ذرات و ایجاد ثبات در آن‌ها عامل‌های شیمیایی به آن‌ها اضافه می‌کنند. این عامل‌ها، لیگاندهای مولکولی با اسید و الکل، نمک، یون‌های طبیعی، مواد آلی، مواد فعال سطحی و پلیمرها ایجاد می‌کنند. در طراحی مواد باکتری‌کش، هدف اصلی این است که به منظور تسهیل نفوذ یون‌های فلزی به بخش عمده‌ای از سطح سلول باکتری، ماده درست انتخاب شود.
غلظت نانوساختارهای فلزی
فعالیت ضد میکروبی نانوساختارهای فلزی به غلظت آن‌ها بستگی دارد. از سال 2006 غلظت‌های مختلف نانوذره نقره و مس در باکتری‌های اشریشیاکلی، باسیلوس سوبتیلیس و استافیلوکوکوس اورئوس مورد مطالعه قرار گرفته است. گزارش شده است که غلظت 10 میکروگرم بر میلی‌لیتر از کشت مایع 24 ساعته، از رشد 70% باکتری‌ها جلوگیری کرده است. همین طور 60 تا 65 میکروگرم بر میلی‌لیتر از کشت مایع 24 ساعته، کاملاً رشد باکتری را سرکوب کرده است. با این حال هنوز هم بر سر این ارقام در مقالات و مطالعات مختلف، نظرات متفاوتی وجود دارد.
آسیب‌های سلولی
برای حمل مواد غذایی، فعالیت ATPase، تحرک، پویایی و تعادل اسمزی و یا به صورت کلی برای زندگی باکتری‌ها، یکپارچگی ساختاری در جمعیت باکتریایی موردنیاز است. تغییرات عملکردی این جمعیت باکتریایی توسط نانوساختارهای فلزی که به سطح سلول باکتری اتصال یافته‌اند یک فرآیند دو فازی می‌باشد. اولین فاز مربوط به فاز فیزیکی است (در شکلa-1 اتصال نانوذرات مس مشاهده می‌شود). این مرحله به زمان تکثیر سلولی و مولکولی باکتری وابسته است. مکانیسم دقیق آسیب‌زایی هنوز نامشخص است، اما تحقیقات ویژه دانشمندان، تغییرات مورفولوژی در باکتری را نشان داده است.
این تعاملات فاز فیزیکی برای اولین بار در باکتری‌ها با تشریح ماتریکسی از پلی‌ساکارید خارج سلولی در برخورد با نانوساختارهای فلزی مشاهده شده است. (شکلb1). این بازآرایی خوشه‌های کوچک در ماتریکس، بقای سلولی و تعاملات آن‌ها با یکدیگر را ساده‌تر کرده است.
شکل 1: a) شکل شماتیک نانوذره مس و زنجیره کوکوسی b) عکس با میکروسکوپ TEM از E. coli O157: به تشریح ماتریکس خارج سلولی توجه کنید. باکتری از این مکانیسم در مواجهه با نانوذرات فلزی استفاده می‌کند
فاز دوم تعامل بین باکتری و نانوساختارهای فلزی برای اختلال در غشاء سیتوپلاسمی است. در این مرحله غشاء ضخیم شده و سوراخ‌هایی در آن ایجاد می‌شود. افزایش زبری (تغییر شکل به صورت دندانه) همراه با سوراخ‌های دیواره و انتشار مواد داخل سلولی و تغییر شکل دیواره پس از آن مشاهده شده است. شکل زیر گویای این مطلب است که دیواره سلولی باکتری چروکیده شده و مواد درون آن به بیرون ترشح شده‌اند.
شکل 2: نانومواد با از بین بردن مکانیسم‌های باکتری در کنترل تعامل با محیط پیرامون، باعث خروج محتویات سیتوپلاسم می‌شوند
پدیده دیگری که در این رابطه وجود دارد پدیده شبح (Gost) است. این پدیده مورفولوژیکی بوده و مربوط به سمیت نانوساختارهای فلزی است. در این پدیده ساختار بیرونی سلول کاملاً دست نخورده باقی می‌ماند، در حالی که سلول عاری از هرگونه مواد سیتوپلاسمی است. این پدیده در باکتری گرم منفی گزارش شده است (شکل 3). زوائد ساختارهای فیزیکی باکتریایی می‌تواند باعث بی‌ثباتی غشاء باکتریایی شود و سیالیت غشاء را به نفع نفوذپذیری نانوساختارها و مواد دیگر تغییر دهد. این تغییر سیالیت شاید باعث نشر مواد درون سلولی به بیرون از سلول شود. این مکانیسم‌ها تا به حال مورد مطالعه دقیق و گسترده قرار نگرفته است. وقوع اجتماعات تصادفی بعد از ورود نانوذرات به داخل سلول، افزایش یافته و سلول به صورت سلول شبح می‌میرد. مکانیسم فرم شبح یک مکانیسم خطی نظارتی کنترلی نبوده و بسیار پیچیده است.
شکل 3: a) کلنی E. coli O157:H7 که توسط میکروسکوپ TEM گرفته شده است و طویل‌تر شدن باکتری و تاژک‌های بلند و نازک که قابل مشاهده هستند. b E. coli O157:H) در مجاورت نانوذره مس که به صورت فرم شبح درآمده است
لینک مقاله مرتبط: کاربرد نانو ذرات دندریمر در پزشکی
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7075170/
تشخیص سریع عوامل میکروبی با بیوسنسورها
برای دانلود پی دی اف بر روی لینک زیر کلیک کنید
ورود / ثبت نام