Биогибридные катализаторы: зачем ученые синтезируют металлы с помощью бактерий

Роль бактерий в нашей жизни сложно переоценить. С их помощью создают лекарства, пищевые продукты, удобрения, биотопливо. Но у этих микроорганизмов есть и менее очевидный талант: некоторые из них способны формировать наночастицы драгоценных металлов. На это необычное свойство обратили внимание специалисты Тульского государственного университета (ТулГУ). Совместно с коллегами Института органической химии им. Н. Д. Зелинского РАН они разработали на основе живых микроорганизмов «умный» антисептик, а также новый катализатор для органического синтеза.

Как ученым удалось создать такие технологии и для чего бактерии синтезируют наночастицы металлов, порталу Наука.РФ рассказала автор проекта, ведущий научный сотрудник, доцент кафедры биотехнологии ТулГУ, кандидат химических наук Ольга Каманина.

— Ольга, расскажите, как бактерии синтезируют драгоценные металлы? Как появилось у них это свойство?

 — Это действительно необычное явление. Хотя в мировой науке оно давно известно. Многие микроорганизмы способны производить наночастицы металлов. Изначально этим вопросом занимались биологи. Они заметили, что живая клетка, находясь в агрессивных условиях (а контакт практически с любыми металлами представляет агрессивные условия) способна переводить железо из двухвалентного состояния в нуль-валентное. Оказалось, что это нужно клеткам для выживания: так они делают металлы менее токсичными. Но обнаружить и проследить этот механизм сложно. Поскольку мы имеем дело с биологической системой, а в ней есть много других веществ — белки, липиды, ферменты, ДНК.

Позже этим процессом заинтересовались химики. Применение таких биокатализаторов* в химических реакциях — новое направление, которое интенсивно развивается последние 20 лет. Но выяснить, как именно микроорганизмы производят металлы, до сих пор никому не удалось.

— Какие микроорганизмы вы использовали?

 — Мы использовали бактерии Paracoccus yeei, выделенные из сточных вод Тульской области. В регионе много металлургических заводов, поэтому мы предположили, что эти организмы контактируют с ионами металлов, а значит, могут к ним адаптироваться.

Мы сформировали так называемую «дорожную карту» — план первых экспериментов. Конечно, сначала буквально «на ощупь» искали те условия, при которых происходило восстановление ионов металла и формирование наночастиц. Первым визуальным признаком успеха часто было изменение цвета раствора. Очень важный этап — аналитика и характеризация. Полученные образцы мы изучали с помощью современного оборудования. Каждый эксперимент не давал окончательных ответов, а, наоборот, открывал новые направления для поиска, задавая вектор для следующего исследования.

— Какой металл синтезируют эти бактерии?

 — Мы использовали палладий*. Но на самом деле спектр металлов, которые можно получать благодаря микроорганизмам, очень широкий. В том числе золото, серебро, платину, медь, никель. В настоящий момент мы работаем уже с другими микроорганизмами. Нам важно понять, как работает этот механизм. В будущем это позволит генетически модифицировать любой микроорганизм, чтобы он производил наночастицы металлов.

— Как выглядит этот процесс в лабораторных условиях?

 — Получить наночастицы металлов из бактерий достаточно легко и быстро. Но для начала нужно вырастить микроорганизмы. Они культивируется делением в течение нескольких суток, в зависимости от условий. Мы переводим клетки микроорганизмов в суспензию. Далее добавляем в жидкость соль металла и пробулькиваем водородом. Это позволяет нам перемешать раствор, увеличивая контакт микроорганизмов с ионами металла. К тому же, так микроорганизмам легче превратить металл в форму наночастиц.

Затем мы разделяем смесь на фракции в лабораторной центрифуге. В результате получается катализатор, готовый для проведения реакций. Внешне этот материал выглядит черный порошок, который можно применять в катализе. Его удобно хранить и использовать в экспериментах.

— В каких областях и для чего такие наночастицы применяют?

 — Они востребованы во многих отраслях, в том числе в медицине, фармацевтике и сельском хозяйстве. Эти катализаторы просты в приготовлении, и это удешевляет конечный продукт. Благодаря клеткам микроорганизмов мы можем сформировать вокруг них кремнийорганические материалы и предотвратить вымывание металла. В результате у нас получается кремниевый материал с развитой пористой структурой. Такие соединения можно использовать в качестве носителей.

Например, в одном из наших исследований мы использовали кремниевые материалы как носители октенидина дигидрохлорида — это достаточно известный и популярный антисептик. Но зачастую его бесконтрольно используют. Это не только вредит экологии, но и может привести к тому, что бактерии станут более устойчивыми к веществу.

Однако, если мы загрузим этот антисептик в наш кремнийорганический материал, раствор будет высвобождаться постепенно. Таким средством можно пропитать медицинский бинт: он впитает необходимое количество вещества, и, когда рана подсушиться, антисептик больше выделятся не будет. Мы с коллегами уже изучаем, как этот препарат работает против патогенов человека. Исследования показали, что за 45 минут такой материал с антисептиком убивает все опасную микрофлору.

— Как родилась идея об этом исследовании?

 — Отправной точкой для проекта послужило стратегическое соглашение о сотрудничестве между Тульским государственным университетом и Институтом органической химии имени Н. Д. Зелинского РАН, подписанное в 2021 году. Эта коллаборация позволила нам выйти на передний край науки и инициировать исследование по синтезу наночастиц палладия. Изначально мы не были ограничены строгими рамками — проект развивался как исследовательский поиск, движимый научным любопытством и верой в то, что настоящая наука часто рождается из чистого интереса к неизвестному.

— Есть ли у вашей разработки аналоги?

 — Сейчас создают разные пористые структуры для адресной доставки лекарств. Но именно такого подхода, когда в качестве шаблона применяют клетки микроорганизмов, мы не встречали в литературе. Можно сказать, что это наша инновация. Обычно для таких целей используют химические вещества, но никак не биологическую структуру, которая не загрязняет окружающую среду и проста в удалении.

— На какой стадии находятся ваши исследования?

 — Сейчас мы ведем исследования по трем грантам Российского научного фонда (РНФ). Когда выясним, как наш материал работает с патогенами человека, сможем в будущем совместно с медицинскими университетами довести разработку до потребителей. В ближайшее время планируем доклинические исследования.

— Есть ли какие-нибудь трудности?

 — Конечно, трудности есть всегда, но именно это делает путь ученого таким интересным! Мы часто сталкиваемся с непонятными нам результатами, и вот тогда «мозговой штурм» и анализ литературы помогает преодолеть эти трудности.

— А технологии искусственного интеллекта в таких исследованиях как-то используете?

 — На мой взгляд, искусственный интеллект — это полезный инструмент, его можно и нужно использовать в работе. Например, с помощью нейронных сетей мы проводим анализ, подсчет количества и размера наночастиц. Сейчас сложно обойтись без использования ИИ. Мы получаем большой массив данных, который вручную невозможно обработать. У человека на эту задачу ушло бы очень много времени.

— С какими вызовами могут столкнуться специалисты в вашей области?

 — Работа на стыке биологии и химии — это невероятно увлекательно, но она сопряжена с рядом серьезных вызовов. Микроорганизмы — это живые системы. Их поведение может варьироваться в зависимости от множества факторов: малейших изменений в питательной среде, температуры, возраста культуры.

Еще одна проблема: то, что прекрасно работает в пробирке объемом 10 мл, далеко не всегда можно просто так перенести на промышленный реактор в несколько кубометров. При увеличении объема возникают проблемы с равномерным перемешиванием, подачей кислорода, контролем температуры. Эти вызовы — не тупик, а скорее ориентиры для развития. Их сложность высока, но это именно та сложность, которая двигает науку вперед.

— Если бы у вас были безграничные возможности, какие исследования хотелось бы реализовать?

 — О, это очень сложный вопрос! Мне очень нравятся направления, которыми я занимаюсь, у меня чудесная команда! Наверное, мне бы хотелось изучить свои направления, понять механизмы получения материалов!

Беседовала Анна Шиховец