Глава из второй книги трехтомника профессора Германа Кричевского

«Зелёные и природоподобные технологии – основа устойчивого развития цивилизации для будущих поколений»

Живые организмы (растения, животные, микроорганизмы) способны взаимодействовать с катионами благородных и тяжёлых металлов, при этом происходит восстановление катиона металла до нейтральных атомов с последующей их агрегацией до наноразмерных кластеров.

В качестве биовосстановителей выступают биологически активные вещества – метаболиты, содержащиеся в клетках и тканях растений, животных и микроорганизмов (МО), а именно аминокислоты, моносахара, белки, полисахариды, ферменты, ДНК и РНК.

В первой части этой главы описывались общие принципы биосинтеза наночастиц металла и использование растений и экстрактов растений. В этой части будет рассмотрен зелёный синтез НЧМ с использованием МО (бактерии, грибы, дрожжи, микроводоросли).

Поскольку НЧМ широко используются как антимикробные (биоциды) препараты для различных целей, то вдвойне интересно рассмотреть механизм взаимодействия НЧМ с МО, как под углом зрения биосинтеза, так и проявлением токсичности НЧМ по отношению к МО (биоцидность) и более широко – цитоксичности по отношению к клеткам разной природы (МО, раковых и здоровых клеток живых организмов).

Можно ожидать много общего в механизме всех этих биоциклических превращений. И это предположение подтверждается.

Начнём с механизма биосинтеза НЧМ с помощью МО. Сразу надо отметить, что проведено множество работ в этом направлении, но до конца интимный механизм биосинтеза НЧМ с помощью МО не выяснен. Это касается и случая биосинтеза с помощью растений, но имеются достаточно разумные версии этого механизма, основанные на использовании современных достижений биохимии на клеточном уровне. Если рассматривать механизм биосинтеза НЧМ с помощью или при взаимодействии с МО, то, конечно, надо исходить из особенностей строения клеток микроорганизмов, химического состава структурных элементов клетки (мембрана, цитоплазма). Наружная стенка клетки МО проявляет защитные функции, а также позволяет по своей проницаемости осуществлять процессы питания и дыхания. В зависимости от вида МО строение стенки может быть более или менее сложным (например, в грамположительных и грамотрицательных бактериях). Помимо внешней стенки, некоторые виды бактерий содержат цитоплазматическую мембрану.

И внешняя стенка, и мембрана в основном содержат белки с включениями сахаров (гликопротеинов). Взаимодействие, а, следовательно, и биосинтез НЧМ, начинается с сорбции катионов металлов поверхностью клетки с последующим восстановлением катионов металла гликапротеинами стенки клетки. Это взаимодействие называется неферментным (без участия ферментов).

В результате этого взаимодействия происходит не только образование НЧМ, но и локальное разрушение стенки клетки за счёт окисления и деструкции клеточных белков, при этом образуются дырки достаточного размера для одновременного вытекания плазматической жидкости и проникновения НЧМ во внутреннее пространство клетки. Внутри клетки бактерий происходит по ферментативному механизму взаимодействие НЧМ с ДНК, РНК ядра.

В результате всех этих взаимодействий происходит приостановка роста бактерий (цитостатический, биостатический эффект) или полная гибель микроорганизмов (апоптоз).

В случае проведения биосинтеза НЧМ необходимо отделить и очистить НЧМ от погибающей биомассы, а в случае использования НЧМ как биоцида добиваются антимикробного эффекта той или иной степени. Но в обоих случаях в основе лежит общий механизм взаимодействия катионов металла или НЧМ с биологически активными веществами стенки и ядра клетки СО. Механизм этот окислительно-восстановительный (redox), в котором белки и другие вещества клетки окисляются (разрушаются, модифицируются), а катионы металлов восстанавливаются сначала до нейтральных атомов, а затем агрегируют (кластеризуются) до НЧМ.

На рисунках 15-19 схематично показаны на примере бактерий механизмы синтеза НЧМ и проявления биоцидного эффекта.

Рис. 15. Химический синтез НЧМ.

Рис. 16. Биологический (зелёный) синтез НЧМ.

Рис. 17. Как ионы серебра убивают бактерии.

Рис. 18. Биологический синтез и антибактериальный эффект – дуализм и связь.

Рис. 19. Схематический механизм синтеза НЧМ посредством микроорганизмов.

В реальных условиях жизни микроорганизмов (бактерии, грибы, дрожжи) контактируют с неорганическими водорастворимыми соединениями, содержащимися в почве и водоёмах, эти вещества являются продуктами питания МО, и, попадая в клетки МО, принимают активное участие в их жизнедеятельности. Поэтому живые организмы (растения, животные и, конечно, МО) в процессе эволюции научились контактировать с неорганическими солями металлов, обезжиривать и вовлекать их в процесс метаболизма (обмена веществ). Живые организмы научились справляться с токсичностью многих катионов тяжёлых металлов, переводя их в менее токсичные формы наночастиц. При этом возникает вопрос, как МО конкретно решают вопрос о своей безопасности по отношению к антимикробным свойствам катионов благородных и тяжёлых металлов, токсичность которых по отношению к живым организмам доказана совершенно однозначно.

Соотношение биоцидного эффекта и токсичности катионов этих металлов по отношению к живым организмам и их клеткам будет рассмотрена в этом трёхтомнике отдельно.

На рис. 20 показаны средние (статистические) размеры наночастиц серебра, полученные с использованием растений различного вида (водоросли, мхи, папоротники, споровые и другие), грибов, бактерий и биополимеров. На рис. 21 представлена упрощённая схема биосинтеза НЧМ на примере наночастиц серебра. На рис. 22 показаны для примера различные виды НЧМ, полученные биосинтезом с помощью различных биовосстановителей.

Рис. 20. Размеры наночастиц серебра, полученные с использованием растений различного вида.

Рис. 21. Биосинтез НЧМ на примере наночастиц серебра.

Рис. 22. Виды НЧМ, полученные биосинтезом с помощью различных биовосстановителей.

В сводной таблице 20 показаны результаты биосинтеза наночастиц серебра с помощью различных живых организмов (водоросли, растения различных видов, грибы, бактерии различной природы) и биополимеров. Приведены очень ценные указания о рецептуре и режиме биосинтеза, размерах и форме наночастиц, антимикробный эффект серебра.

Таблица 20.

Биология синтеза НЧМ с помощью микроорганизмов

Микроорганизмы, которые миллиардами окружают нас и живут, и размножаются в почве, в водоёмах и воздухе, замечательно производят очень много ценных для человека продуктов, являясь маленькими фабриками и заводами, продукция которых используется в медицине, пищевой индустрии и других областях науки и техники. Отрасль индустрии, которая производит эти ценные продукты, называется микробиологической, она использует достижения микробиологии, генной инженерии, биотехнологии. В моей книге «Возрождение природных красителей» (М., ООО «Паблит», 2017, 564 с.) имеется специальная глава о продуцировании красителей с использованием микроорганизмов.

В таблице 21 приведены данные по синтезу НЧМ различной природы с помощью МО разного вида, а также роль в биосинтезе внешней стенки и цитоплазмы микроорганизмов.

Таблица 21. Синтез НЧМ с помощью микроорганизмов различного вида

Многие МО, как одноклеточные, так и многоклеточные, способны аккумулировать неорганические вещества (растворимые соли благородных и тяжёлых металлов) и превращать их в НЧМ путём восстановления катионов металлов и нейтральных атомов металлов с последующей их агрегацией (кластеризацией). Химизм этих превращений можно отнести к redox процессам-реакциям, в которых катионы восстанавливаются активными веществами, содержащимися в МО (ферменты, белки, полисахариды и др.). Последние при этом окисляются.

При существующем общем механизме биосинтеза НЧМ биологическими объектами (растения, микроорганизмы) каждый вид растений и микроорганизмов, природа металла, условия (температура, pH среды, концентрация и др.) вносят свой вклад в специфику протекания биосинтеза и характеристику образующихся НЧМ (размер, форма, устойчивость) и их свойства (антимикробные, лечебные, оптические, каталитические).

В зависимости от вида МО биосинтез преимущественно протекает на поверхности клетки или внутри её.

Далее перейдём к особенностям биосинтеза НЧМ с помощью МО разной природы (актиномицеты, грибы, водоросли, бактерии, вирусы).

Актиномицеты (лучистые грибы) – это тип бактерий, способных формировать ветвистые мицеллы (тонкие нити). Микроорганизмы этого вида способны синтезировать НЧМ на поверхности и внутри своих клеток, но первый вариант предпочтительнее. Отвечает за синтез НЧМ кофермент NADH (никотинамидаденин динуклеотид редуктаза). Фермент восстанавливает катионы металлов и сам окисляется и переходит в NAD⁺. Полученные таким образом НЧМ обладают высокой антимикробной активностью, поскольку они окружены активными белками-стабилизаторами.

Грибы. Во множестве работ исследуются особенности биосинтеза НЧМ грибами разного вида с катионами металлов разной природы. Грибы отличаются очень высоким удельным (на массу гриба) содержанием белков. За это мы их ценим и любим как заменитель мяса в рационе питания. Поэтому выход, КПД при синтезе НЧМ с помощью грибов существенно выше, чем в случае микроорганизмов других видов. Эффективность биосинтеза зависит от условий (температура, pH среды, концентрация, тип гриба и вид металла).

Бактерии. В природе бактерии часто попадают в экстремальные условия внешней среды, как и все живые организмы, и проявляют уникальную устойчивость, адаптивность. У них существует и механизм защиты от токсичного действия металлов высокой концентрации. Биологически активные вещества наружной стенки и цитоплазмы клетки бактерии вступают в реакцию с ними и переводят их в форму НЧМ.

Тут проявляется до конца не выясненный дуализм механизма. С одной стороны, НЧМ являются эффективными фитомикробными препаратами, а с другой стороны бактерии защищаются от катионов металлов, переводя их в НЧМ. Тут, видимо, важно соотношение в способности бактерий переводить катионы металлов в менее токсичные НЧМ и способность обоих форм металлов (катионы и НЧМ) разрушать клетку бактерии. Как и в случае других МО взаимодействие происходит и на поверхности и внутри клетки и эти реакции зависят от условий, в которых они протекают, от вида бактерий и от природы металла.

Вирусы – это неклеточные микроорганизмы наноразмеров. Они, как и бактерии, вызывают инфекции, поселяясь в клетках всех живых организмов, даже в некоторых видах вирусов (бактериофаги). Они тоже способны синтезировать многие виды НЧМ.

Дрожжи. Синтезируют НЧМ принципиально по тем же механизмам, что и другие МО.

Водоросли – микроорганизмы, обитающие в водоёмах. Они аккумулируют из водной среды растворимые неорганические соли металлов и переводят их в форму нейтральных атомов, которые агрегируют в НЧМ.

В третьей книге трёхтомника будет описано использование НЧМ в медицине и рассмотрены механизмы биоцидных, токсичных свойств НЧМ по отношению к клеткам живых организмов.

В этой книге трёхтомника ещё раз прослеживаются общие для современных наук и практик глубокое взаимопроникновение, конвергенция, синергия взаимного влияния. В этой части книги, которая касается биосинтеза НЧМ с помощью микроорганизмов, соединились, переплелись, интегрировались и помогают друг другу биология, микробиология, биотехнология, нанотехнология, медицина, физика, химия, проблема эволюции развития микроорганизмов и многое другое.

Эта междисциплинарность и межотраслевой характер проблемы требуют для её практического решения формирования команды из специалистов всех этих областей знаний и практик. 

Рекомендуемая литература.

1. Г.Е. Кричевский. Зелёные и природоподобные технологии – основа устойчивого развития для будущих поколений. Т. 2 – Москва: Грин Принт, 2019 – 312 с.

2. Г.Е. Кричевский. Бионика. Учимся мудрости у природы. Учебное пособие. Москва. 2015.

3. Хосни Я. «Зелёные технологии»: что мы о них знаем? / Я. Хосни, Д. Беннетт, А.А. Трифилова, В.Б. Грузиненко // Инновации. – 2009. – № 3. – С. 3-9.

4. Андрусишина И. Н. Наночастицы металлов: способы получения, физико-химические свойства, методы исследования и оценка токсичности // Сучасні проблеми токсикології. 2011. №3. С.5–14

5. Егорова Е.М. Биологические эффекты наночастиц металлов / Е.М.Егорова, А.А.Кубатиев, В.И.Швец. - М.: Наука, 2014. - 350 с.

6. Крутиков Ю. А., Кудринский А. А., Олейник А. Ю., Лисичкин Г. В. Синтез и свойства наночастиц серебра: достижения и перспективы // Успехи химии. 2008, №77 (9), c. 242-268.

7. "Зеленые" нанотехнологии: синтез металлических наночастиц с использованием растений / В. В. Макаров [и др.] // Acta Naturae. - 2014. - Т. 6, № 1 (20), с. 37-47.

8. Zhang, X.; Yan, S.; Tyagi, R.; Surampalli, R. Synthesis of nanoparticles by microorganisms and their application in enhancing microbiological reaction rates. Chemosphere 2011, 82, 489–494. [Google Scholar] [CrossRef] [PubMed]

9. Pantidos N, Horsfall LE (2014) Biological Synthesis of Metallic Nanoparticles by Bacteria, Fungi and Plants. J. Nanomedicine and Nanotechnology, 2014, V.5.

10. Paloma J.M. Biosynthesis of Metal Nanoparticles. Nanomaterials. 2016, 6, 84, p. 1-16.

11. Metal Nanoparticles: Synthesis, Characterization, and Applications. Edited by Daniel L. Feldheim (North Carolina State University) and Colby A. Foss, Jr. (Georgetown University). Marcel Dekker, Inc.: New York and Basel. 2002.

12. Shah, M.; Fawcett, D.; Sharma, S.; Tripathy, S.K.; Poinern, G.E.J. Green Synthesis of Metallic Nanoparticles via Biological Entities. Materials 2015, 8, 7278-7308.

13. D. Sharma, S. Kanchi, K. Bisetty. Biogenic synthesis of nanoparticles: A review. Arabian Journal of Chemistry. 2015, p. 1-25.

14. O. Figovsky, D. Beilin. Green nanotechnology. Pan Standford Publ., 2016.

15. Bio-Nanoparticles - Biosynthesis and Sustainable Biotechnological Implications - Om V. Singh, Wiley, Blackwell, 2015.