Nauki przyrodnicze [2023-09-08]

Zielona moc grzybów

— Marcin Behrendt

Są wykorzystywane jako leki i nośniki leków. Zwalczają drobnoustroje w szpitalach, niszczą patogeny roślinne i zmniejszają ilość tradycyjnych nawozów stosowanych w rolnictwie – nanocząstki przebojem opanowują medycynę i branżę rolno-spożywczą.

Nanocząstki to niewielkie struktury o rozmiarze do 100 nanometrów. Charakteryzują się m.in. tym, że wykazują inne właściwości fizyczne i chemiczne oraz aktywność biologiczną niż ich większe odpowiedniki materiałowe. – Gdy materiał wyjściowy w skali mikro o określonej powierzchni rozbijemy do wielkości nano, czyli na mniejsze cząstki, to jego powierzchnia działania zwiększy się wielokrotnie. I właśnie ze stosunku powierzchni do objętości wynikają unikalne właściwości nanocząstek – tłumaczy wizytujący na Uniwersytecie Mikołaja Kopernika w Toruniu prof. Mahendra Rai z Sant Gadge Baba Amravati University w Indiach.

Nanocząstki ogólnie można podzielić na organiczne i nieorganiczne. Wśród organicznych możemy wyróżnić np. liposomy, micele, dendrymery. – Liposomy to  pęcherzyki zbudowane z dwuwarstwy fosfolipidów z wolną przestrzenią w środku, w której można umieścić np. lek i precyzyjnie dostarczyć go w docelowe miejsce w organizmie, gdzie liposomy będą rozpadały się w kwaśnym środowisku guza i uwalniały w nim lek – mówi dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK z Katedry Mikrobiologii na Wydziale Nauk Biologicznych i Weterynaryjnych UMK. – Wśród nanocząstek nieorganicznych wyróżniamy nanocząstki metali, takich jak srebro, złoto, tytan, miedź, tlenków metali (np. tlenku cynku) oraz półmetali (metaloidy), takich jak krzem, selen i glin. Na UMK skupiliśmy się głównie na nanocząstkach metali. Dotychczas syntetyzowaliśmy głównie nanocząstki srebra i złota. W ostatnich latach biosyntetyzujemy również nanocząstki tlenków cynku, miedzi i magnezu.

Nanocząstki można pozyskiwać w różny sposób, ale w ostatnich latach w nanotechnologii coraz większym zainteresowaniem cieszy się tzw. zielona synteza (synteza biologiczna lub biosynteza). – Charakteryzuje się tym, że jest przyjazna środowisku. W syntezie biologicznej, w przeciwieństwie do syntezy chemicznej czy fizycznej, przy produkcji nanocząstek nie wykorzystuje się związków toksycznych i nie zużywa się dużych nakładów energii – informuje prof. Rai. – Dodatkowo po wytworzeniu nanocząstek w sposób chemiczny lub fizyczny konieczne jest ich ustabilizowanie czyli  "opłaszczanie" kolejnymi związkami chemicznymi, które zazwyczaj też są toksyczne. Chodzi o to, by nanocząstki nie agregowały, czyli nie łączyły się ze sobą w struktury o większych rozmiarach i nie traciły powierzchni reakcyjnej, a tym samym swoich unikalnych właściwości.

Zielona nanotechnologia

Biolodzy z toruńskiego uniwersytetu zainteresowali się biosyntezą, czyli syntezą nanocząstek przez mikroorganizmy, takie jak grzyby i bakterie, a także przez algi i rośliny. W czasie wizyty prof. Rai w Polsce naukowcy skoncentrowali się na mikosyntezie, czyli syntezie nanocząstek z wykorzystaniem grzybów pleśniowych. – W ramach projektu, który prof. Rai realizował na UMK, syntetyzowaliśmy nanocząstki srebra z wykorzystaniem takich grzybów, głównie z rodzaju Fusarium, które porażają rośliny, w tym zboża ale również z innych rodzajów jak np. Penicillium, które rozwijają się m.in. na mandarynkach i cytrynach – mówi prof. Golińska. – W takiej produkcji nie używa się związków toksycznych i nie wytwarza toksycznych odpadów.

Przewaga grzybów nad innymi mikroorganizmami w biosyntezie nanocząstek polega na tym, że wytwarzają one bardzo dużą ilość różnych metabolitów, w tym wiele białek, włączając enzymy i wiele z tych substancji może być zaangażowanych w redukcję jonów srebra do srebra metalicznego i nanosrebra.

Wszechstronne zastosowanie

Nanotechnologię można wykorzystywać w najważniejszych dla człowieka dziedzinach życia: medycynie, rolnictwie oraz w przemyśle opakowaniowym i przechowywaniu żywności. Nanocząstki są silnie aktywne wobec różnych mikroorganizmów. Bardzo dobrze zwalczają drobnoustroje chorobotwórcze i hamują ich rozprzestrzenianie się, co można wykorzystać do wytwarzania różnych powierzchni i materiałów stosowanych w szpitalach, jak np. masek z filtrem z nanosrebrem, które powstały w czasie pandemii COVID-19. Są skuteczne wobec bakterii, które nie poddają się działaniu powszechnie stosowanych antybiotyków ponieważ się na nie uodporniły. Nanocząstki srebra działają też przeciwrakowo.

Nanomateriały są smart, można je podawać np. dożylnie, ale działają w miejscu docelowym, czyli w guzie rakowym, a nie tak jak chemioterapia, która jest rozprowadzana po całym organizmie jednocześnie niszcząc nieprawidłowe, jak i zdrowe komórki – tłumaczy prof. Rai. – W przypadku nanocząstek możemy stosować terapię celowaną, w której  lek przeciwnowotworowy będzie uwalniany dopiero w miejscu guza. Nanocząstki same w sobie mogą być lekiem, ale i nośnikiem leku.

W rolnictwie nanotechnologia wykorzystywana jest w trzech aspektach. Pierwszy to wczesne wykrywanie patogenów roślinnych, zanim pojawią się symptomy choroby roślin. – Elektroniczny nos to technologia, którą akurat my się nie zajmujemy, ale dzięki wykorzystaniu w tym urządzeniu nanomateriałów, takich jak nanodruty czy nanopręty tlenku cynku wykrywa ono substancje lotne wytwarzane przez grzyby patogenne. Można też wykorzystać innego typu nanobiosensory wykrywające DNA patogenów roślin – mówi prof. Golińska. – Dzięki temu można zastosować odpowiednie zabiegi agrotechniczne, zanim zobaczymy objawy porażenia roślin, np. przebarwienia, naloty, czy nekrozę blaszek liściowych.

Drugi aspekt to wykorzystanie roztworu nanocząstek do bezpośredniego zwalczania patogenów, które już się rozwinęły na roślinach. Nanocząstki takie zazwyczaj działają w dużo niższych stężeniach niż chemiczne środki grzybobójcze, więc ich koncentracja w środowisku też jest znacznie mniejsza w porównaniu z powszechnie stosowanymi fungicydami.

Trzeci obszar wykorzystania nanomateriałów w rolnictwie to dostarczanie roślinom składników odżywczych. Podobnie jak w medycynie, nanomateriały same w sobie mogą być związkiem odżywczym lub być nośnikiem zawierającym w sobie substancję odżywczą, która może być uwalniana w sposób kontrolowany. Gdy rolnicy stosują tradycyjne nawozy, w krótkim czasie dostarczają na pola ich olbrzymie ilości, których rośliny nie są w stanie wykorzystać i duża ich część przenika w głąb gleby do wód gruntowych, a w konsekwencji do zbiorników wodnych (wód powierzchniowych). Niekorzystnie wpływa to na środowisko wodne prowadząc do jego eutrofizacji. Nadmierne nawożenie szkodzi też mikroorganizmom glebowym i prowadzi do tzw. "zmęczenia gleby", czyli stałego zachwiania równowagi w zawartości składników odżywczych, co negatywnie wpływa na wielkość plonów.

Wykorzystując nanokapsułkowanie, czyli umieszczenie nanocząstek stanowiących składniki odżywcze dla roślin w otoczkach lub matrycach, można aplikować te składniki odżywcze dolistnie lub doglebowo – mówi prof. Rai. - Największą zaletą tego rozwiązania jest uwalnianie składników odżywczych w sposób kontrolowany, powolny i stały – to jest element zrównoważonego rozwoju, który w dzisiejszych czasach jest niezwykle istotny.

Przyjazne grzyby

Prof. Rai przybył do Polski na dwa lata dzięki stypendium, które otrzymał z Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej (NAWA). W ramach zaproponowanego projektu pt. "Development of new environmentally-friendly and biologically active nanomaterials" wraz z zespołem w składzie dr hab. Patrycja Golińska, prof. UMK, dr Magdalena Wypij i mgr Joanna Trzcińska-Wencel, zajmował się wytworzeniem nanokompozytów na bazie pullulanu i nanocząstek srebra (AgNPs) do zwalczania mikroorganizmów.

Pullulan, czyli naturalny biodegradowalny polimer, biosyntetyzowaliśmy z wykorzystaniem  grzybów (Aureobasidium pullulans) i łączyliśmy z nanocząsteczkami srebra, wytwarzanymi na drodze zielonej syntezy przez grzyby pleśniowe, o których wspominałam wcześniej – tłumaczy prof. Golińska. - Tworzymy filmy, czyli cienkie i elastyczne folie, inkrustowane, czyli wysycone nanocząstkami srebra. Testowaliśmy je np. do zwalczania patogenów odpowiedzialnych za infekcje ran czy wobec takich, które rozwijają się w żywności, jak np. Listeria monocytogenes czy Salmonella sp., czyli de facto do przedłużania czasu przechowywania żywności.

Pullulan wysycony nanocząstkami srebra ma korzystne właściwości i z tego powodu mógłby być wykorzystywany np. do produkcji opakowań do żywności lub do opatrunków przyspieszających gojenie się ran, zabezpieczając je przed rozwojem infekcji. – Gdy mamy bardziej rozległe rany np. oparzeniowe, są one silnie narażone na rozwój infekcji – tłumaczy prof. Golińska – Zabezpieczenie takiego miejsca biodegradowalnym polimerem z czynnikiem hamującym rozwój patogenów znacznie przyspieszy leczenie ran.

Zespół zamierza opatentować metodę otrzymywania nanokompozytów na bazie pullulanu i uwalniania nanocząstek z filmu. Poza tym prof. Rai i prof. Golińska zredagowali trzy ważne książki: "Microbial Nanotechnology", "Myconanotechnology: emerging trends and applications" oraz "Mycosynthesis of Nanomaterials: Perspectives and Challenge" opublikowane przez prestiżowe wydawnictwo CRC Press/Taylor and Francis Group. – Mamy nadzieję, że książki te otworzą nowe możliwości w zakresie przyjaznych dla środowiska zielonych nanomateriałów – mówi prof. Rai.

Oprócz tego w czasie wizyty profesora ukazały się  dwie prace naukowo-badawcze: “Biogenic nanosilver bearing antimicrobial and antibiofilm activities and its potential for application in agriculture and industry" i “Superior in vivo wound-healing activity of mycosynthesized silver nanogel on different wound models in rat" a kolejne dwie "Biofabrication of novel silver and zinc oxide nanoparticles from Fusarium solani IOR 825 and their potential application in agriculture as biocontrol agents of phytopathogens, and seed germination and seedling growth promoters" oraz “Pullulan-based films impregnated with silver nanoparticles from Fusarium culmorum strain JTW1 for potential applications in food industry and medicine" zostały opublikowane tuż po wyjeździe prof. Rai z Polski. Kolejnym wymiernym efektem współpracy prof. Rai z prof. Golińską będzie wizyta na UMK jednego ze współpracowników profesora – dr. Aniketkumara K. Gade, który otrzymał grant NCN w konkursie Preludium BIS 2. W jego ramach będzie zatrudniony przez 24 miesiące na stanowisku profesora uniwersytetu, a do Torunia przyjedzie w październiku. Dr Gade również będzie realizował projekt związany z zastosowaniem nanotechnologii w rolnictwie. Będzie wytwarzał bionanoczastki kapsułkowane kazeiną, które mają być nawozami przyszłości.

Celem zespołu działającego na UMK jest stworzenie nanoformulacji wykorzystywanych jako nanonawozy i kontrolujących rozwój patogenów roślin, które mogą być powszechnie wykorzystywane w rolnictwie w zastępstwie stosowanych obecnie w dużej ilości chemicznych nawozów i środków ochrony roślin. – Ma to ograniczyć użycie chemii w rolnictwie, prowadzić do zrównoważonego rozwoju i zniwelować skutki zmieniającego się klimatu – twierdzi prof. Rai.

Współpraca prof. Rai z toruńskim uniwersytetem trwa już kilkanaście lat. W 2009 naukowiec z Indii zaprosił prof. dr hab. Hannę Dahm, ówczesną kierowniczkę Katedry Mikrobiologii, do napisania jednego z rozdziałów "Ectomycorrhiza and secondary metabolites" w monografii zatytułowanej "Diversity and Biotechnology of Ectomycorrhizae", której był redaktorem.  W przygotowaniu tego rozdziału uczestniczyła też prof. Golińska. – Poznaliśmy się wtedy z prof. Rai, ale nie osobiście – mówi prof. Golińska. – Trzy lata później kiedy naukowiec przyjechał na miesiąc do Torunia jako profesor wizytujący UMK przebywałam akurat na rocznym stypendium w Anglii i niestety znów się nie spotkaliśmy.

Po powrocie z Wielkiej Brytanii w 2012 r. prof. Golińska zainteresowała się nanotechnologią i biosyntezą nanomateriałów. W latach 2013-2016 współpracowała z prof. Rai w interdyscyplinarnym grancie Symfonia 1 z Narodowego Centrum Nauki, w ramach którego biosyntetyzowali nanocząstki przy pomocy promieniowców  i wykorzystywali je do zwalczania różnych patogenów. W czasie realizacji grantu prof. Rai na kilka dni odwiedził Toruń, a na roczny staż podoktorski na UMK przyjechał wychowanek profesora, dr D.P. Rathod. W tym czasie powstało wiele publikacji naukowych i przeglądowych. Po habilitacji w 2017 r. jako samodzielny pracownik naukowy prof. Golińska kontynuowała współpracę z prof. Rai. W 2019 r. badacze złożyli do NAWA, w ramach programu im. Stanisława Ulama, wniosek o stypendium, które umożliwia przyjazd do Polski uznanych naukowców w celu wzmocnienia potencjału naukowego polskich jednostek i ich umiędzynarodowienia. Ze względu na pandemię COVID-19 przyjazd profesora się opóźnił. Ostatecznie naukowiec z Indii dotarł na UMK w lipcu 2021 r., a w lipcu 2023 r. stypendium i pobyt badacza w Toruniu się zakończyły.