تولید طلا از باکتری-کیمیاگری میکروبی
کاظم کاشفی محقق ایرانی و همکارانش دریافتند یک قابلیت باکتریایی برای ایستادگی در برابر مقدار باود نکردنی از سمیت، کلید تولید طلای 24 عیار است.
طی چند سال گذشته گیاهان، جلبک ها، قارچ ها، باکتری ها و ویروس ها برای تولید نانو ذرات فلزی ارزان قیمت، انرژی کارآمد و غیرسمی استفاده شده اند.
از میان نانو مواد ها، نانو ذرات طلا دارای ویژگی های منحصر به فردی است که می توان از آن در کاربردهای پزشکی استفاده کرد. ساخت نانو ذرات به روش های شیمیایی، به دلیل آلودگی ناشی از مواد شیمیایی پیش ساز و تولید محصولات جانبی خطرناک، کاربرد پزشکی نانو ذرات را با مشکل مواجه می سازد. روشهای فیزیکی سنتز نانو ذرات نیز کم بازده و پرهزینه اند. امروزه توجه زیادی به استفاده از سیستم های بیولوژیک مانند استفاده ازمیکروارگانیسم ها در تولید نانوذرات با کاربرد های جدید وجود دارد. بیوسنتز و اجتماع نانومواد با استفاده از سیستم های بیولوژیک پاک، سازگار با محیط زیست و غیرسمی در مقایسه با روش های سنتز شیمیایی نانوذرات به عنوان روش های سبز شناخته شده اند. نانوذرات تولید شده با روش بیولوژیکی در عین بی خطر بودن، دارای اثرات ضد باکتریایی مناسبی بر علیه جدایه های مسبب عفونت های انسانی می باشند.
معرفی نانو ذرات طلا
سنتز نانو ذرات فلزی یک حوزه فعال علمی و مهمتر از همه تحقیق کاربردی در فناوری نانو است. بسیاری از روشهای فیزیکی و شیمیایی می تواند برای سنتز نانو ذرات فلزی مورد استفاده قرار گیرد. طی چند سال گذشته گیاهان، جلبک ها، قارچ ها، باکتری ها و ویروس ها برای تولید نانو ذرات فلزی ارزان قیمت، انرژی کارآمد و غیرسمی استفاده شده اند. نانو پیشوندی یونانی به معنای9-10 می باشد. امروزه از این واژه در فناوری نانو استفاده می گردد [1]. نانو فناوری محدوده ای از تکنولوژی است که در این محدوده انسان می تواند انواع ترکیبات، آلیاژها، وسایل و ابزارها و به طور کلی، سیستم ها و سازه های گوناگون را در مقیاس اتمی و مولکولی و در ابعاد نانومتری(یک میلیاردم متر) طراحی کرده و به مرحله ساخت برساند. نانو مواد به موادی گفته می شود که حداقل دارای یک بعدی در مقیاس بین 1 تا 100 نانومتر داشته باشند [2،3]. فلزات نقش مهمی در فرایندهای زندگی جانداران کوچک و میکروسکوپی دارند. بعضی از فلزات مانند کلسیم،کبالت، مس، آهن و روی ماده مقوی از لحاظ غذایی و ضروری هستند در حالیکه برخی فلزات مانند طلا، نقره و آلومینیوم و سرب هیچ گونه نقش بیولوژیکی ندارند وغیر ضروری هستند. از کاربردهای نانو ذرات طلا می توان به مواد کامپوزیت،کاتالیزور، بسته بندی، روکش ها، افزودنی های سوخت، ساینده ها، باتری ها، روان کننده ها، پزشکی و داروسازی، دارورسانی و تشخیص پزشکی اشاره نمود[4،5].
از دهه ی 1970 محققان در حال تلاش جهت ارائه سیستم های قادر به انتقال هدفمند مواد به نواحی خاصی از بدن، برای تشخیص و درمان بیماریها به ویژه سرطان ها هستند. عدم سمیت سلولی نانو ذرات طلا برای بافت های سالم، آن ها را به کاندیدای مناسبی برای کاربردهای درمانی در شرایط درون تنی تبدیل می سازد. ویژگی های بی نظیر نانوذرات طلا از قبیل اندازه هسته، نسبت بالای سطح به حجم و آسان بودن عملکردی کردن آنها با هرنوع مولکول زیستی، امکان هدف گیری، انتقال و تنظیم فرایندهای تحویل دارو را فراهم می آورد. نانو ذرات طلا همچنین می توانند به عنوان سیستم های انتقال ژن برای درمان بیماریهای ژنتیکی عمل کنند[6]. در زمینه تولید زیستی نانو ذرات، باکتری ها بیشترین اهمیت را به خود اختصاص داده اند.از مزایای استفاده از باکتری ها جهت تولید نانو ذرات سهولت کار با آن ها و دستکاری ژنتيکی آسان به دلیل فقدان هسته ی مشخص است. بررسی های به عمل آمده نشان داده اند که توده زیستی حاصل از
چند جنس باکتریایی از جمله Bacillus subtilis– Pseudomonas aeroginosa – Shewanella algae
Escherichia coli – Rhodopseudomonas capsulate – Thermomonospora sp – Lactobacillus sp.
Rhodococcus sp. – Staphylococcus aureus-Helicobactery pyloriو برخی باکتری ها قادر به سنتز نانو ذرات طلا هستند[7،8،9،10،11،12،13]. با این حال بررسی های صورت گرفته در زمینه تولید نانو ذرات طلا با استفاده از توده زیستی باکتریایی محدود بوده و نیاز به تحقیقات گسترده تری دارد. البته سیستم های زیستی دیگراز قبیل جلبک ها، قارچ ها، مخمرها و گیاهان مانند نانو ذرات طلای بیو سنتز شده با استفاده از عصاره آبی گیاه Sambucus ebulus L نیز قادر به تولید نانو ذرات طلا هستند [14].
نانو ذرات طلا پایدارترین نانو ذرات فلزی هستند[15]. اين نانوذرات به دليل خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فردشان برای بارگیری وانتقال و باردهی دارو مورد توجه اند. هسته ی طلا خنثی، غیرسمی و سنتز آن آسان است و معمولا از نانوذرات طلا با طیف سایزی یکنواخت با اندازه ای حدود150-1 نانومتر برای این منظور استفاده می شود. از ديگر مزاياي نانوذرات طلا مي توان به مقاومت بسيار بالاي اين نانوذرات در برابر زنگ زدگي و خوردگي اشاره كرد. با توجه به مزاياي نانوذرات طلا، امروزه از اين نانوذرات به عنوان بيوسنسور، بيوماركر و هم چنين در دارو رساني هدفمند استفاده مي شود. توانايي تشخیص میکروارگانیسم ها، بافت های سرطانی و غیره در شرایط داخل بدن و شرایط آزمایشگاهی ازديگر مزاياي نانوذرات طلا در پزشكي است. جهت ساخت نانوذرات طلا از روش هاي مختلف فيزیکی، شيميايي وبیولوژیک استفاده مي شود. بيوسنتز به معني سنتز و تجمع نانوذرات با استفاده از تولیدکنندگان بیولوژیک از قبيل باکتری ها، قارچ ها وگیاهان است كه از آن با عنوان شيمي سبز نيز یاد مي شود[12].
امروزه علاوه بر نانو ذرات طلا از سنتز سایر نانو ذرات مانند سنتز نانو ذرات نقره توسط باکتری های مختلف به طور مثال Ralstonia.SM8 استفاده می کنند[16].
جداسازی و شناسایی سویه های تولید کننده نانو ذرات طلا از خاک به صورت درون سلولی و برون سلولی و نیز بررسی خواص ضد باکتریایی نانو ذرات طلای تولید شده علیه باکتری های بیماری زا انجام می شود.
در این مطالعه مشخص گردید که برترین سویه های تولیدکننده نانوذرات طلا به جنس باسیلوس تعلق داشتند. همچنین نانوذرات تولیدی به روش خارج سلولی بهتر از نانوذرات تولیدی به روش درون سلولی توانایی مهار رشد باکتریهای بیماریزا را داشتند.
امروزه یکی از مهمترین نیازها در نانوتکنولوژی دسترسی به روشی بی ضرر جهت تولید نانوذرات فلزی مختلف میباشد. همانگونه که اشاره شد، نانوذرات فلزات مختلف توسط روشهای شیمیایی، فیزیکی و بیولوژیک قابل تولید میباشند. سنتز به روش بیولوژیک نسبت به دو روش فیزیکی و شیمیایی بهتر عمل می نماید. زیرا در مصرف انرژی و هزینه ها با صرفه تر عمل نموده و سرعت تولید بالاتری در مقایسه با روشهای معمول دیگر دارد. علاوه بر این در روشهای فیزیکی و شیمیایی چنانچه هدف تولید مقادیر زیادی از نانوذرات باشد معمولاً تولید انبوه سبب افزایش سایز ذرات شده که از میکرومتر تجاوز می نماید. در حالی که روش بیولوژیکی میتواند به صورت مؤثری در تولید نانوذرات با سایز کوچک ولی در حجم بزرگ عمل نماید. تولید نانوذرات فلزی به وسیله سیستم های بیولوژیکی، به کمک بررسی میکروارگانیسم ها و تنظیم شرایط مناسب محیط کشت مانند دما، به هم زنی محیط و سایر شرایط فیزیکی قابل انجام می باشد. در تولید به صورت بیولوژیک، میکروارگانیسمهای متنوعی توانایی تولید نانوذرات فلزی را از طریق احیا یونهای فلزی موجود در محیط دارند که شامل انواعی از باکتریها، قارچها و ویروسها می باشند. انواعی از آنزیم ها، مواد احیاکننده، پلی ساکاریدهای خارج سلولی و شاتلهای الکترونی در فرآیند احیا مؤثر می باشند.
چنانچه آنزیمهای احیاکننده یونهای فلزی در درون سلول قرار داشته باشند، احیا به صورت درون سلولی و چنانچه این آنزیم ها در خارج از سلول توسط میکروارگانیسم آزاد شود، سنتز برون سلولی خواهد بود. در بسیاری از مواقع هر دو دسته آنزیم ها در فرایند احیا یونهای فلزی و غیرفعال نمودن اثرات سمی آنها برای میکروارگانیسم ها دخیل می باشند. از میان میکروارگانیسم های درگیر در فرآیند بیوسنتز نانوذرات معمولاً قارچها دارای توانایی احیا قویتری نسبت به باکتریها می باشند. اما به دلیل تولید اگزوپلی ساکاریدهای خارج سلولی توسط قارچها، معمولاً نانوذرات تولیدی به آسانی قابل تخلیص نمی باشند. تاکنون گزارشی مبنی بر بیماریزا بودن این جدایهها وجود نداشته و چنانچه ایجاد بیماری نمایند، عفونتهای فرصتطلب ایجاد میکنند. بنابراین این باکتریها برای افراد سالم جامعه خطرناک نبوده و میتوان آنها را بدون هیچ مشکلی در راکتورهای صنعتی کشت و جهت تولید نانوذرات طلا از آنها استفاده نمود.
امروزه استفاده از نانوذرات طلا به عنوان ماده ضد باکتری قدمی بسیار بزرگ در تولید دارو می باشد. بررسیها نشان داده است که نانوذرات تولیدی نه تنها ارزان و مقرون به صرفه میباشند، بلکه تولید آنها ساده و پایدار نیز می باشد.
در مطالعه انجام شده تعداد زیادی از باکتریها به منظور تولید نانوذرات طلا غربال گردیدند. از این میان توانایی تولید نانو ذرات طلا به صورت درون و برون سلولی توسط سه جدایه خاک در مدت 24 ساعت مشخص گردید. تولید نانوذرات طلا در محیط با تغییر رنگ واضح محیط کشت به صورتی تا بنفش قابل ردیابی بود. این تغییر رنگ از تغییرات رزونانس سطحی نانوذرات ناشی می شود که به دلیل افزایش سطح ذرات نسبت به حجم آنها می باشد. با استفاده از اسپکتروفوتومتر، حضور نانوذرات طلا به تغییر در جذب نوری محلول قابل پیگیری بود. به منظور تأیید تولید نانوذرات طلا از میکروسکوپ الکترونی گذاره و پراش اشعه اکس استفاده گردید. نتایج نشان دادند، نانوذرات طلا توسط 38 گونه مختلف باکتریایی جداسازی شده از خاک قابل تولید می باشند.
در بررسی توسط پراش اشعه اکس، حداقل حضور 4 پیک از فلز طلا دیده شد که نشاندهنده حضور این فلز در محیط واکنش است.نکته ای که وجود دارد این است که حساسیت باکتریها نسبت به نانوذرات فلزات مختلف وابسته به گونه باکتری تولیدکننده نانوذرات، سایز، شکل و غلظت نانوذرات و نوع نانوذرات تولیدی و نیز شرایط فیزیک وشیمیایی محیط واکنش می باشد.