Nanoparticelle di argento: agenti antimicrobici alternativi prodotti dai batteri

Cosa sono le nanoparticelle?

Le nanoparticelle sono nanomateriali formati da metalli o non metalli, con dimensioni comprese tra 1 e 100 nm. Possono essere formate da un unico composto o da un nucleo solido e uno strato esterno aggiuntivo, che fa da copertura. Questi nanomateriali possono essere di origine naturale oppure antropica. Le nanoparticelle naturali vengono prodotte a partire da processi geologici, biologici o da fenomeni di combustione, mentre quelle ingegnerizzate sono sintetizzate dall’uomo. Le nanoparticelle, come tutti i nanomateriali, hanno diverse proprietà elettriche, termiche, magnetiche, catalitiche e biologiche. Queste caratteristiche dipendono dalla sostanza, dalle dimensioni, dalla forma e dalla natura del rivestimento, se presente. Si tratta di materiali molto versatili, che trovano applicazione in diversi settori in base alle loro proprietà. Si va dall’agricoltura, dove possono essere impiegati all’interno di fertilizzanti, pesticidi e antimicotici, passando per la medicina, l’industria elettronica, meccanica, alimentare e cosmetica.

Caratteristiche e proprietà delle nanoparticelle di Ag

Nel settore delle nanotecnologie, le nanoparticelle di argento (Ag-NPs) rivestono un ruolo fondamentale.
L’argento è storicamente noto per le sue proprietà antibatteriche e disinfettanti e, infatti, è stato spesso utilizzato in passato per trattare patologie come polmonite, tubercolosi e ulcere. Allo stesso tempo, ha un importante difetto: risulta citotossico per l’uomo ad elevate concentrazioni.

Nella natura nano(Fig. 1), invece, non presenta questa limitazione grazie all’elevato rapporto superficie/volume e alle caratteristiche chimico-fisiche uniche. Le nanoparticelle di argento, infatti, possono essere sfruttate proprio per le loro proprietà antimicrobiche, antibatteriche, antifungine, germicide, antivirali e antimuffa.

Diversità morfologica e dimensionale delle nanoparticelle di argento
Figura 1 – Immagini al TEM di Ag-NPs con caratteristiche differenti di forma e dimensione (fonte: Loiseau, Alexis, et al. 2019)

Oltre che come agenti antimicrobici veri e propri, gli utilizzi delle nanoparticelle di argento possono prevederne lo sfruttamento nelle superfici dei luoghi pubblici o degli ospedali, nei tessuti, nelle strumentazioni odontoiatriche, nei contenitori per cibo e acqua e anche nei cosmetici. In questo modo è possibile ottenere materiali sterili che prevengono la contaminazione in maniera uniforme, anche laddove altri agenti antimicrobici diverrebbero instabili. Le Ag-NPs, inoltre, hanno anche proprietà antiangiogeniche, antiinfiammatorie e antitumorali, in quanto riescono ad inibire la proliferazione di alcune linee cellulari cancerose.

Meccanismo d’azione delle nanoparticelle di Ag

La capacità antimicrobica delle Ag-NPs è descritta da quattro meccanismi differenti (Fig. 2):

  • Danno di tipo fisico-meccanico, dovuto al contatto delle nanoparticelle con la parete delle cellule microbiche. Tale contatto causa dei cambiamenti nella parete che pregiudicano la struttura esterna della cellula, la quale non è più in grado di proteggersi dall’ingresso di materiale dall’ambiente;
  • Ingresso delle nanoparticelle all’interno della cellula. Se riescono ad attraversare la parete cellulare, infatti, le Ag-NPs vanno a destabilizzare e denaturare le proteine e interagiscono con il DNA;
  • Genotossicità degli ioni Ag+ rilasciati dalle nanoparticelle all’interno della cellula. Questi danneggiano le basi azotate, generano mutazioni e bloccano i processi di trascrizione e replicazione del DNA;
  • Danno ossidativo causato dalla formazione di forme reattive dell’ossigeno (ROS), che si generano quando gli ioni Ag+ vengono a contatto con i gruppi tiolici delle molecole.
Schema dei meccanismi di azione delle nanoparticelle di argento
Figura 2 – Rappresentazione schematica dell’azione delle Ag-NPs sulle cellule (fonte: Lee et al. 2019)

Sintesi chimica vs. sintesi biologica

La sintesi di nanoparticelle di Ag può avvenire sia per via chimica che per via biologica.

I metodi chimico-fisici permettono di ottenere un nanomateriale in tempi brevi, con forma e dimensioni ben definiti. Di contro, però, si tratta di metodi costosi, che richiedono l’utilizzo di pressioni e temperature elevate e che producono anche degli scarti tossici. I più utilizzati sono sicuramente la deposizione chimica da vapore, l’impiantazione ionica o la sintesi dalla fase liquida.

I metodi di sintesi biologica avvengono, invece, in condizioni fisiologiche di temperatura e pressione. La factory in cui avviene il processo di sintesi, cioè la cellula microbica, è rigenerabile e riutilizzabile. Questo rappresenta un grande punto a favore per l’economicità e la sostenibilità del processo.
La produzione di nanoparticelle nelle cellule non è altro che una conseguenza del meccanismo di resistenza del microrganismo al contatto con il metallo e infatti la sintesi biologica risulta essere un processo abbastanza semplice. In sostanza, si tratta di un processo di riduzione del metallo, che passa da stato di ossidazione +1 alla forma elementale. La reazione avviene ad opera di enzimi specifici prodotti dalla cellula, che possono operare a livello intracellulare o extracellulare (Fig. 3)

Schema semplificato di un processo di sintesi biologica di nanoparticelle di argento
Figura 3 – Schema rappresentativo della sintesi biologica di Ag-NPs tramite l’utilizzo di cellule fungine (fonte: Boufia et al. 2021)

L’uso di metodi biologici è caratterizzato da un vantaggio molto importante: i microrganismi sono dei sistemi guidabili e modificabili e permettono di ottenere delle nanoparticelle di determinate forme e dimensioni.
Questa produzione guidata avviene andando a controllare diversi parametri, che sono principalmente: la concentrazione del sale metallico che si fornisce, il pH a cui avviene la reazione, la temperatura e il tempo di esposizione al sale. Infine, è importante considerare anche la fase di crescita in cui avviene l’esposizione.

Pseudomonas stutzeri e co.

Pseudomonas stutzeri, nello specifico il ceppo AG259, è un batterio isolato per la prima volta da una miniera di argento. Si tratta di uno dei primi microrganismi in cui si è descritta la capacità di precipitare e accumulare argento all’interno della cellula. P. stutzeri una specie largamente diffusa nell’ambiente grazie alla grande variabilità metabolica che la caratterizza: diversi ceppi sono in grado di fissare l’azoto, altri partecipano alla degradazione di composti inquinanti e alcuni, come P. stuzeri AG259, resistono alla presenza di metalli tossici.

Le nanoparticelle di argento possono essere prodotte anche da altri tipi di cellule, come Pseudomonas aeruginosa, Bacillus licheniformis, Geobacter sulfurreducens, Stenotrophomonas maltophilia e Xanthomonas oryzae. In tutti questi casi, i nanomateriali sono prodotti o secreti al di fuori dalla cellula e questo costituisce un vantaggio per la successiva fase di recupero.

La biosintesi extracellulare di Ag-NPs avviene con elevata efficienza anche in specie fungine come Aspergillus flavus, Aspergillus fumigatus, Phanerochaete chrysosporium e Fusarium oxysporum.

Fonti

  • Bouafia, Abderrhmane, et al. “The Recent Progress on Silver Nanoparticles: Synthesis and Electronic Applications.” Nanomaterials 11.9 (2021): 2318.
  • Lee, Sang Hun, and Bong-Hyun Jun. “Silver nanoparticles: synthesis and application for nanomedicine.” International journal of molecular sciences 20.4 (2019): 865.
  • Loiseau, Alexis, et al. “Silver-based plasmonic nanoparticles for and their use in biosensing.” Biosensors 9.2 (2019): 78.
  • Xu, Yongjian, et al. “Review of silver nanoparticles (AgNPs)-cellulose antibacterial composites.” BioResources 13.1 (2018): 2150-2170.

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