Vengono utilizzate come medicinali, trasportatori di farmaci e per combattere i microbi negli ospedali, distruggere i patogeni delle piante e ridurre la quantità di fertilizzanti tradizionali utilizzati in agricoltura:le nanoparticelle stanno prendendo il sopravvento sulla medicina e sull'industria agroalimentare.
Le nanoparticelle sono minuscole strutture di dimensioni fino a 100 nanometri. Sono caratterizzati da proprietà fisiche e chimiche e attività biologica diverse rispetto alle loro controparti materiali più grandi.
"Quando il materiale di partenza su microscala con un'area superficiale specifica viene scomposto in nanodimensioni, cioè in particelle più piccole, la sua area superficiale aumenterà molte volte. Ed è il rapporto tra superficie e volume che si traduce in proprietà uniche di nanoparticelle", spiega il prof. Mahendra Rai dell'Università Sant Gadge Baba Amravati in India.
Le nanoparticelle possono essere principalmente organiche o inorganiche. Tra quelli organici possiamo distinguere liposomi, micelle e dendrimeri.
"I liposomi sono vescicole costituite da un doppio strato fosfolipidico con spazio libero all'interno, in cui è possibile inserire, ad esempio, un farmaco e somministrarlo con precisione nel punto target del corpo perché i liposomi si disintegrano nell'ambiente acido del tumore e rilasciano il farmaco in esso contenuto", afferma il prof. Patrycja Golinska del Dipartimento di Microbiologia della Facoltà di Scienze Biologiche e Veterinarie NCU.
"Tra le nanoparticelle inorganiche possiamo distinguere nanoparticelle di metalli come argento, oro, titanio, rame, ossidi metallici (ad esempio ossido di zinco) e semimetalli (metalloidi) come silice, selenio e alluminio. All'Università Nicolaus Copernicus, noi focalizzato principalmente sulle nanoparticelle metalliche. Finora abbiamo biosintetizzato principalmente nanoparticelle di argento e oro. Negli ultimi anni abbiamo anche biosintetizzato nanoparticelle di ossidi di zinco, rame e magnesio.
Le nanoparticelle possono essere ottenute in vari modi, ma negli ultimi anni la cosiddetta sintesi verde (sintesi biologica o biosintesi) ha attirato un crescente interesse per le nanotecnologie.
"È rispettosa dell'ambiente. Nella sintesi biologica, a differenza della sintesi chimica o fisica, la produzione di nanoparticelle non utilizza composti tossici e non consuma grandi quantità di energia", afferma il Prof. Rai.
Inoltre, dopo la produzione delle nanoparticelle in modo chimico o fisico, queste devono ancora essere stabilizzate, cioè “rivestite” con altri composti chimici, solitamente anch’essi tossici. Il punto è che le nanoparticelle non si aggregano, cioè non si combinano tra loro in strutture di dimensioni maggiori e non perdono la loro superficie di reazione e quindi le loro proprietà uniche.
I biologi dell'Università Nicolaus Copernicus di Toruń si sono interessati alla biosintesi, cioè alla sintesi di nanoparticelle da parte di microrganismi come funghi e batteri, nonché di alghe e piante. Durante la visita del Prof. Rai in Polonia, gli scienziati si sono concentrati sulla micosintesi, ovvero la sintesi di nanoparticelle utilizzando funghi.
"Nell'ambito del progetto, che il Prof. Rai ha portato avanti presso l'Università Nicolaus Copernicus, abbiamo sintetizzato nanoparticelle d'argento utilizzando funghi, principalmente del genere Fusarium, che infettano le piante, compresi i cereali, ma anche di altri generi come Penicillium, che sviluppano ad es. su mandarini e limoni", spiega il prof. Golinska. "In tale produzione non vengono utilizzati composti tossici e non vengono prodotti rifiuti tossici."
Il vantaggio dei funghi rispetto ad altri microrganismi nella sintesi delle nanoparticelle è che producono un gran numero di vari metaboliti, comprese molte proteine, inclusi gli enzimi, e molte di queste sostanze possono essere coinvolte nella riduzione degli ioni argento in nanoargento.
Le nanotecnologie possono essere utilizzate nei settori più importanti della vita umana:la medicina, l’agricoltura, l’industria degli imballaggi e la conservazione degli alimenti. Le nanoparticelle sono altamente attive contro vari microrganismi.
Combattono molto bene i microbi patogeni e ne inibiscono la diffusione, che può essere utilizzata per produrre varie superfici e materiali negli ospedali, come le maschere con un filtro al nanoargento, create durante la pandemia di COVID-19. Sono efficaci contro i batteri resistenti agli antibiotici comunemente usati. Le nanoparticelle d'argento hanno anche proprietà antitumorali.
"I nanomateriali sono intelligenti, possono essere somministrati, ad esempio, per via endovenosa, ma funzionano nel sito bersaglio, cioè in un tumore canceroso, e non come la chemioterapia, che si distribuisce in tutto il corpo distruggendo contemporaneamente sia le cellule anormali che quelle sane ”, spiega il prof. Rai. Nel caso delle nanoparticelle possiamo utilizzare una terapia mirata, in cui il farmaco antitumorale verrà rilasciato solo nel sito del tumore. Le nanoparticelle stesse possono essere un farmaco e anche un trasportatore di farmaci.
In agricoltura, la nanotecnologia viene utilizzata in tre aspetti. Il primo è la diagnosi precoce degli agenti patogeni delle piante prima che compaiano i primi sintomi di malattie delle piante. Il naso elettronico è una tecnologia di cui non ci occupiamo al momento, ma grazie all'utilizzo di nanomateriali come nanofili o nanobarre di ossido di zinco in questo dispositivo, rileva le sostanze volatili prodotte da funghi patogeni.
"Si possono utilizzare anche altri tipi di nanobiosensori che rilevano il DNA dei patogeni vegetali", afferma la prof.ssa Golinska. "Grazie a ciò, è possibile applicare trattamenti agrotecnici appropriati prima che si manifestino i sintomi dell'infestazione delle piante, ad esempio scolorimento, incursioni o necrosi delle lamine fogliari."
Il secondo aspetto è l'utilizzo di una soluzione di nanoparticelle per combattere direttamente gli agenti patogeni che si sono già sviluppati sulle piante. Tali nanoparticelle di solito agiscono a concentrazioni molto inferiori rispetto ai fungicidi chimici, quindi anche la loro concentrazione nell'ambiente è molto inferiore rispetto ai fungicidi comunemente usati.
Il terzo campo di applicazione dei nanomateriali in agricoltura è la fornitura di sostanze nutritive alle piante. Come in medicina, i nanomateriali stessi possono essere un nutriente o un trasportatore contenente un nutriente che può essere rilasciato in modo controllato. Quando gli agricoltori utilizzano i fertilizzanti tradizionali, ne rilasciano in breve tempo nei campi enormi quantità che le piante non sono in grado di utilizzare e gran parte di essi penetra in profondità nel terreno fino alle falde acquifere e, di conseguenza, ai serbatoi idrici (acque superficiali ).
Ciò influisce negativamente sull'ambiente acquatico portandolo alla sua eutrofizzazione. Una fertilizzazione eccessiva danneggia anche i microrganismi del suolo e porta al cosiddetto. "Affaticamento del suolo", cioè uno squilibrio costante nel contenuto di nutrienti, che influisce negativamente sulla dimensione dei raccolti. Utilizzando la nanoincapsulazione, ovvero inserendo nanoparticelle che sono nutrienti per le piante in capsule o matrici, è possibile applicare questi nutrienti mediante applicazione fogliare o al suolo.
"Il più grande vantaggio di questa soluzione è il rilascio dei nutrienti in modo controllato, lento e costante. Questo è un elemento di sviluppo sostenibile, estremamente importante al giorno d'oggi", afferma il Prof. Rai.
Il Prof. Rai è venuto in Polonia per due anni grazie ad una borsa di studio ricevuta dall'Agenzia Nazionale Polacca per gli Scambi Accademici (NAWA). Nell'ambito del progetto proposto "Sviluppo di nuovi nanomateriali rispettosi dell'ambiente e biologicamente attivi" insieme ad un team composto dal Dr. hab. Patrycja Golińska (prof. NCU), Dott.ssa Magdalena Wypij e Ph.D. la studentessa Joanna Trzcińska-Wencel, si è occupata della produzione di nanocompositi a base di pullulan e nanoparticelle d'argento (AgNP) per combattere vari microrganismi.
"Il pullulan, un polimero biodegradabile naturale, è stato biosintetizzato utilizzando funghi (Aureobasidium pullulans) e combinato con nanoparticelle d'argento, prodotte mediante sintesi verde utilizzando muffe, di cui ho parlato prima", spiega la prof.ssa Golińska. "Abbiamo creato delle pellicole, ovvero delle lamine sottili e flessibili, incrostate di nanoparticelle d'argento. Abbiamo testato queste pellicole, ad esempio, per combattere gli agenti patogeni responsabili delle infezioni delle ferite o quelli che si sviluppano negli alimenti, come Listeria monocytogenes o Salmonella sp., cioè di fatto per prolungare la durata di conservazione degli alimenti."
Il pullulan incorporato con nanoparticelle d'argento presenta proprietà benefiche e quindi potrebbe essere utilizzato, ad esempio, nella produzione di imballaggi alimentari o medicazioni che accelerano la guarigione delle ferite, proteggendole dallo sviluppo di infezioni. "Quando abbiamo ferite più estese, ad esempio ustioni, sono altamente esposte allo sviluppo di infezioni", spiega la prof.ssa Golińska. "Proteggere un posto del genere con un polimero biodegradabile con un agente che inibisce lo sviluppo di agenti patogeni accelererà significativamente la guarigione delle ferite."
Il team intende brevettare un metodo per ottenere nanocompositi a base di pullulan e rilasciare nanoparticelle dalla pellicola.
Due articoli di ricerca sono stati pubblicati sulla rivista Frontiers in Microbiology durante la visita del professore, in particolare "Attività antimicrobiche e antibiofilm del nanoargento biogenico e suo potenziale di applicazione in agricoltura e industria" e "Attività di guarigione delle ferite in vivo superiore del nanogel d'argento micosintetizzato su diversi modelli di ferite nel ratto."
Altri due, "Biofabbricazione di nuove nanoparticelle di argento e ossido di zinco da Fusarium solani IOR 825 e loro potenziale applicazione in agricoltura come agenti di biocontrollo dei fitopatogeni e promotori della germinazione dei semi e della crescita delle piantine" e "Film a base di Pullulan impregnati con nanoparticelle d'argento da Fusarium culmorum ceppo JTW1 per potenziali applicazioni nell'industria alimentare e nella medicina" furono pubblicati subito dopo che il Prof. Rai lasciò la Polonia. Gli articoli sono stati pubblicati in Frontiers in Chemistry e Frontiere della bioingegneria e della biotecnologia .
Ulteriori informazioni: Joanna Trzcińska-Wencel et al, Il nanoargento biogenico con attività antimicrobiche e antibiofilm e il suo potenziale di applicazione in agricoltura e industria, Frontiere in microbiologia (2023). DOI:10.3389/fmicb.2023.1125685
Swapnil Gaikwad et al, Attività di guarigione delle ferite in vivo superiore del nanogel d'argento micosintetizzato su diversi modelli di ferite nel ratto, Frontiere della microbiologia (2022). DOI:10.3389/fmicb.2022.881404
Joanna Trzcińska-Wencel et al, Biofabbricazione di nuove nanoparticelle di argento e ossido di zinco da Fusarium solani IOR 825 e loro potenziale applicazione in agricoltura come agenti di biocontrollo dei fitopatogeni e promotori della germinazione dei semi e della crescita delle piantine, Frontiers in Chemistry (2023). DOI:10.3389/fchem.2023.1235437
Magdalena Wypij et al, Film a base di Pullulan impregnati con nanoparticelle d'argento del ceppo Fusarium culmorum JTW1 per potenziali applicazioni nell'industria alimentare e nella medicina, Frontiere nella bioingegneria e nella biotecnologia (2023). DOI:10.3389/fbioe.2023.1241739
Informazioni sul giornale: Frontiere della microbiologia
Fornito dall'Università Nicolaus Copernicus
