São utilizadas como medicamentos, transportadores de medicamentos e para combater micróbios em hospitais, destruir agentes patogénicos de plantas e reduzir a quantidade de fertilizantes tradicionais utilizados na agricultura – as nanopartículas estão a dominar a medicina e a indústria agroalimentar.



Nanopartículas são estruturas minúsculas de até 100 nanômetros de tamanho. Eles são caracterizados por propriedades físicas e químicas e atividades biológicas diferentes dos seus equivalentes materiais maiores.

"Quando o material inicial em microescala com uma área de superfície específica é dividido em tamanho nano, ou seja, em partículas menores, sua área de superfície aumentará muitas vezes. E é a relação entre superfície e volume que resulta nas propriedades únicas de nanopartículas", explica o professor Mahendra Rai, da Universidade Sant Gadge Baba Amravati, na Índia.

As nanopartículas podem ser principalmente orgânicas ou inorgânicas. Entre os orgânicos podemos distinguir lipossomas, micelas e dendrímeros.

“Os lipossomas são vesículas feitas de uma bicamada fosfolipídica com espaço livre em seu interior, nas quais você pode colocar, por exemplo, um medicamento e entregá-lo com precisão no local alvo do corpo porque os lipossomas vão se desintegrar no ambiente ácido do tumor e liberar a droga nele contida", diz o prof. Patrycja Golinska do Departamento de Microbiologia da Faculdade de Ciências Biológicas e Veterinárias NCU.

"Entre as nanopartículas inorgânicas, podemos distinguir nanopartículas de metais como prata, ouro, titânio, cobre, óxidos metálicos (por exemplo, óxido de zinco) e semimetais (metalóides) como sílica, selênio e alumínio. Na Universidade Nicolaus Copernicus, nós focado principalmente em nanopartículas metálicas. Até agora, biossintetizamos principalmente nanopartículas de prata e ouro. Nos últimos anos, também biossintetizamos nanopartículas de óxidos de zinco, cobre e magnésio.

As nanopartículas podem ser obtidas de diversas maneiras, mas nos últimos anos, a chamada síntese verde (síntese biológica ou biossíntese) tem atraído interesse crescente pela nanotecnologia.

"É ecologicamente correto. Na síntese biológica, diferentemente da síntese química ou física, a produção de nanopartículas não utiliza compostos tóxicos e não consome grandes quantidades de energia", afirma o Prof.

Além disso, após a produção das nanopartículas de forma química ou física, elas ainda precisam ser estabilizadas, ou seja, “revestidas” com outros compostos químicos, que geralmente também são tóxicos. A questão é que as nanopartículas não se agregam, ou seja, não se combinam entre si em estruturas de tamanhos maiores e não perdem a sua superfície de reação e, portanto, as suas propriedades únicas.

Nanotecnologia verde

Biólogos da Universidade Nicolaus Copernicus em Toruń interessaram-se pela biossíntese, ou seja, a síntese de nanopartículas por microrganismos como fungos e bactérias, bem como por algas e plantas. Durante a visita do Prof. Rai à Polônia, os cientistas se concentraram na micossíntese, ou seja, na síntese de nanopartículas a partir de fungos.

“No âmbito do projeto, que o Prof. Rai realizou na Universidade Nicolaus Copernicus, sintetizamos nanopartículas de prata a partir de fungos, principalmente do género Fusarium, que infectam plantas, incluindo cereais, mas também de outros géneros como Penicillium, que se desenvolvem, por ex. em tangerinas e limões", diz o prof. Golinska. “Nessa produção, nenhum composto tóxico é usado e nenhum resíduo tóxico é produzido”.

A vantagem dos fungos sobre outros microrganismos na síntese de nanopartículas é que eles produzem um grande número de diversos metabólitos, incluindo muitas proteínas, inclusive enzimas, e muitas dessas substâncias podem estar envolvidas na redução de íons de prata a nanoprata.

Aplicativos

A nanotecnologia pode ser utilizada nas áreas mais importantes da vida humana:medicina, agricultura e indústria de embalagens, e armazenamento de alimentos. As nanopartículas são altamente ativas contra vários microrganismos.

Eles combatem muito bem os micróbios patogênicos e inibem sua propagação, o que pode ser usado para produzir diversas superfícies e materiais em hospitais, como máscaras com filtro de nanoprata, que foram criadas durante a pandemia de COVID-19. Eles são eficazes contra bactérias resistentes aos antibióticos comumente usados. As nanopartículas de prata também têm propriedades anticancerígenas.

“Os nanomateriais são inteligentes, podem ser administrados, por exemplo, por via intravenosa, mas funcionam no local alvo, ou seja, num tumor cancerígeno, e não como a quimioterapia, que é distribuída por todo o corpo ao mesmo tempo que destrói células anormais e saudáveis ”, explica o Prof. No caso das nanopartículas, podemos utilizar a terapia direcionada, em que o medicamento anticancerígeno será liberado apenas no local do tumor. As próprias nanopartículas podem ser um medicamento e também um transportador de medicamentos.

Na agricultura, a nanotecnologia é utilizada em três aspectos. A primeira é a detecção precoce de patógenos de plantas antes que apareçam os primeiros sintomas de doenças de plantas. O nariz eletrônico é uma tecnologia da qual não tratamos no momento, mas graças ao uso de nanomateriais como nanofios ou nanobastões de óxido de zinco neste dispositivo, ele detecta substâncias voláteis produzidas por fungos patogênicos.

“Outros tipos de nanobiossensores que detectam o DNA de patógenos vegetais também podem ser usados”, diz o Prof. “Graças a isso, tratamentos agrotécnicos apropriados podem ser aplicados antes de observarmos os sintomas de infestação de plantas, por exemplo, descoloração, ataques ou necrose das lâminas foliares”.

O segundo aspecto é a utilização de uma solução de nanopartículas para combater diretamente patógenos já desenvolvidos nas plantas. Tais nanopartículas geralmente atuam em concentrações muito mais baixas do que os fungicidas químicos, portanto a sua concentração no ambiente também é muito menor em comparação com os fungicidas comumente usados.

A terceira área de aplicação dos nanomateriais na agricultura é o fornecimento de nutrientes às plantas. Tal como na medicina, os próprios nanomateriais podem ser um nutriente ou um transportador contendo um nutriente que pode ser libertado de forma controlada. Quando os agricultores utilizam fertilizantes tradicionais, entregam aos campos em pouco tempo grandes quantidades deles, que as plantas não conseguem utilizar e grande parte deles penetra profundamente no solo até às águas subterrâneas e, consequentemente, aos reservatórios de água (águas superficiais). ).

Isto afecta negativamente o ambiente aquático, conduzindo à sua eutrofização. A fertilização excessiva também prejudica os microrganismos do solo e leva aos chamados. “Fadiga do solo”, ou seja, um desequilíbrio constante no conteúdo de nutrientes, que afeta negativamente o tamanho das culturas. Usando a nanoencapsulação, ou seja, colocando nanopartículas que são nutrientes para as plantas em cápsulas ou matrizes, você pode aplicar esses nutrientes por aplicação foliar ou no solo.

“A maior vantagem desta solução é a liberação de nutrientes de forma controlada, lenta e constante. Este é um elemento de desenvolvimento sustentável, de extrema importância nos dias de hoje”, afirma o Prof.

Fungos amigáveis

O Prof. Rai veio para a Polónia durante dois anos graças a uma bolsa que recebeu da Agência Nacional Polaca para o Intercâmbio Académico (NAWA). No âmbito do projeto proposto, “Desenvolvimento de novos nanomateriais ecologicamente corretos e biologicamente ativos” em conjunto com uma equipe composta pelo Dr. Patrycja Golińska (prof. da NCU), Dra. Magdalena Wypij e Ph.D. a estudante Joanna Trzcińska-Wencel, tratou da produção de nanocompósitos à base de pululano e nanopartículas de prata (AgNPs) para combate a diversos microrganismos.

“O Pullulan, um polímero biodegradável natural, foi biossintetizado a partir de fungos (Aureobasidium pullulans) e combinado com nanopartículas de prata, produzidas por síntese verde a partir de fungos de mofo, que mencionei anteriormente”, explica o Prof. “Criamos filmes, ou seja, folhas finas e flexíveis, incrustadas com nanopartículas de prata. Testamos esses filmes, por exemplo, para combater patógenos responsáveis ​​por infecções de feridas ou que se desenvolvem em alimentos, como Listeria monocytogenes ou Salmonella sp., ou seja, de fato para prolongar a vida útil dos alimentos."

O Pullulan incorporado com nanopartículas de prata apresenta propriedades benéficas e por isso poderia ser utilizado, por exemplo, na produção de embalagens de alimentos ou curativos que aceleram a cicatrização de feridas, protegendo-as contra o desenvolvimento de infecções. “Quando temos feridas mais extensas, por exemplo, queimaduras, elas ficam altamente expostas ao desenvolvimento de infecções”, explica o Prof. “Garantir esse local com um polímero biodegradável com um agente que inibe o desenvolvimento de patógenos irá acelerar significativamente a cicatrização de feridas”.

A equipe pretende patentear um método para obtenção de nanocompósitos à base de pululano e liberação de nanopartículas do filme.

Dois artigos de pesquisa foram publicados na revista Frontiers in Microbiology durante a visita do professor, nomeadamente "Nanoprata biogênica com atividades antimicrobianas e antibiofilmes e seu potencial para aplicação na agricultura e indústria" e "Atividade superior de cicatrização de feridas in vivo do nanogel de prata micossintetizado em diferentes modelos de feridas em ratos."

Outros dois, "Biofabricação de novas nanopartículas de prata e óxido de zinco de Fusarium solani IOR 825 e sua aplicação potencial na agricultura como agentes de biocontrole de fitopatógenos e germinação de sementes e promotores de crescimento de plântulas" e "Filmes à base de pullulano impregnados com nanopartículas de prata de Fusarium culmorum cepa JTW1 para aplicações potenciais na indústria alimentícia e na medicina" foram publicados logo após o Prof. Rai deixar a Polônia. Os artigos foram publicados em Frontiers in Chemistry e Fronteiras em Bioengenharia e Biotecnologia .

Mais informações: Joanna Trzcińska-Wencel et al, Nanoprata biogênica com atividades antimicrobianas e antibiofilme e seu potencial para aplicação na agricultura e na indústria, Frontiers in Microbiology (2023). DOI:10.3389/fmicb.2023.1125685
Swapnil Gaikwad et al, Superior in vivo Wound-Healing Activity of Mycosynthezed Silver Nanogel on Different Wound Models in Rat, Frontiers in Microbiology (2022). DOI:10.3389/fmicb.2022.881404

Joanna Trzcińska-Wencel et al, Biofabricação de novas nanopartículas de prata e óxido de zinco de Fusarium solani IOR 825 e sua aplicação potencial na agricultura como agentes de biocontrole de fitopatógenos e germinação de sementes e promotores de crescimento de mudas, Frontiers in Chemistry (2023). DOI:10.3389/fchem.2023.1235437

Magdalena Wypij et al, Filmes à base de Pullulan impregnados com nanopartículas de prata da cepa JTW1 de Fusarium culmorum para aplicações potenciais na indústria de alimentos e medicina, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2023). DOI:10.3389/fbioe.2023.1241739

Informações do diário: Fronteiras em Microbiologia

Fornecido pela Universidade Nicolau Copérnico