Microbial Synthesis of Reduced Graphene Oxide Nanosheets by Proteus mirabilis MT378377 and Antibacterial Activity against Multidrug Resistant Bacteria
تفيد هذه الدراسة بالتحسين المتبع في التخليق الميكروبي لصفائح أكسيد الجرافين المختزل باستخدام بكتيريا *Proteus mirabilis* MT378377 تحت ظروف محددة من درجة الحرارة، والأس الهيدروجيني، والمواد المضافة، مما يكشف عن أنه بينما تمتلك المواد النانوية الناتجة خصائص مناسبة لإيصال الأدوية، إلا أنها تظهر نشاطاً مضاداً للبكتيريا أقل ضد البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة مقارنة بأكسيد الجرافين.
البحث الأصلي مرخَّص بموجب CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). هذا شرح مولَّده بالذكاء الاصطناعي للبحث أدناه. لم يكتبه المؤلفون ولم يصادقوا عليه. وللتحقق من الدقة التقنية، يرجى الرجوع إلى البحث الأصلي. اقرأ إخلاء المسؤولية الكامل
في عالم المواد الحديثة، قلة من المواد تحظى بالاحتفاء مثل الغرافين. تخيل ورقة من ذرات الكربون مرتبة في شكل قرص عسل مثالي أحادي الطبقة؛ إنها قوية بشكل لا يصدق، وتوصل الكهرباء بسهولة، وهي رقيقة للغاية لدرجة أنها ثنائية الأبعاد جوهرياً. ومع ذلك، فإن إنشاء هذه المادة النقية غالباً ما يتطلب مواد كيميائية قاسية، أو درجات حرارة عالية، أو معدات باهظة الثمن قد يصعب توسيع نطاق استخدامها للاستخدام اليومي. لطالما سعى العلماء لإيجاد طريقة أكثر لطفاً لصنع هذه الصفائح الكربونية، طريقة تحاكي كفاءة الطبيعة. وهناك مادة ذات صلة، تسمى أكسيد الغرافين، يسهل إنتاجها ولكنها تحمل ذرات أكسجين إضافية على سطحها تجعلها أقل توصيلاً وأكثر ذوباناً في الماء. وللحصول على أفضل ما في العالمين، يحاول الباحثون نزع مجموعات الأكسجين هذه لإنشاء "أكسيد الغرافين المختزل"، وهي مادة تحتفظ بالخصائص المفيدة للغرافين مع كونها أسهل في التعامل. ويكمن التحدي في إيجاد طريقة لإزالة مجموعات الأكسجين هذه دون اللجوء إلى مواد كيميائية سامة أو حرارة شديدة، مما دفع العلماء للبحث في عالم البكتيريا المجهري عن حل.
قرر فريق من الباحثين في كلية لاهور للكليات النسائية في باكستان اختبار ما إذا كان نوع معين من البكتيريا يمكنه القيام بهذا التحول الكيميائي. بدأوا بجمع عينات من التربة وعزل مستعمرات بكتيرية مختلفة، وفحصها لمعرفة أي منها يمكنه اختزال أكسيد الغرافين بشكل طبيعي. وبعد اختبار عدة مرشحين، حددوا سلالة واحدة برزت عن غيرها. ومن خلال التحليل الجيني، أكدوا أن هذه البكتيريا هي "بروتيوس ميرابيليس" (Proteus mirabilis)، وهي ميكروب شائع يوجد في البيئة. أطلقوا على سلالتهم المحددة اسم MT378377 وعملوا على فهم كيفية عملها بالضبط والظروف التي تؤدي فيها عملها بأفضل شكل. كان الهدف هو إنشاء عملية نظيفة وصديقة للبيئة يمكنها إنتاج هذه الصفائح الكربونية النانوية بكميات كبيرة، مما يوفر بديلاً أخضر للتصنيع الكيميائي التقليدي.
اكتشف الباحثون أن البكتيريا تعمل كمصنع حي لهذه المواد النانوية. فعندما خلطوا البكتيريا مع محلول من أكسيد الغرافين، بدأت الميكروبات في نزع مجموعات الأكسجين، مما حول الخليط إلى لون أسود داكن، وهو ما يشير إلى تكوين أكسيد الغرافين المختزل. ولإيجاد الوصفة المثالية لهذه العملية البيولوجية، قام الفريق بتعديل ظروف مختلفة، تماماً كما يضبط الطاهي طبق طعامه. ووجدوا أن البكتيريا تعمل بشكل أفضل عند درجة حرارة دافئة تبلغ 37 درجة مئوية، وهي درجة حرارة الجسم القياسية للعديد من الكائنات الحية. واكتشفوا أيضاً أن حموضة الماء مهمة؛ حيث سمحت بيئة حمضية قليلة بـ pH قدره 5 للبكتيريا بإنتاج أكبر كمية من المادة. كما أن إضافة كمية ضئيلة من الملح، وتحديداً كلوريد الصوديوم، ساعدت في سير العملية، وكذلك إضافة مادة خافضة للتوتر السطحي تسمى "توين 80" (Tween 80)، والتي تساعد في خلط المواد التي لا تمتزج عادةً بشكل جيد. وكان التركيز الأكثر فعالية لأكسيد الغرافين الأصلي هو واحد مليغرام لكل مليلتر، وكانت البكتيريا تعمل بشكل أفضل عند حفظها في الظلام بدلاً من الضوء.
بمجرد تحديد الظروف المثلى، قام الفريق بقياس كمية المادة المنتجة وشكلها. وتحت الظروف المناسبة، أنتجت البكتيريا كمية كبيرة من أكسيد الغرافين المختزل، والتي أكدها الباحثون باستخدام اختبارات امتصاص الضوء. وعندما فحصوا المنتج النهائي تحت مجاهر قوية، رأوا أن البكتيريا قد نجحت في إنشاء هياكل رقيقة تشبه الصفائح. كانت هذه الصفائح تبلغ مساحتها حوالي 91 نانومتر تقريباً، وهو مقياس صغير جداً بحيث يمكن لمليون منها أن يتسع لعرض شعرة بشرية واحدة. كما حملت المادة شحنة كهربائية سالبة على سطحها، مما يساعد في منع الصفائح من التكتل ويضمن بقاءها معلقة في الماء. وأظهر التحليل الكيميائي أنه بينما أزالت البكتيريا العديد من مجموعات الأكسجين من أكسيد الغرافين الأصلي، إلا أن بعض الأكسجين ظل ملتصقاً بالسطح، مما منح المادة خصائص كيميائية فريدة.
اختبر الباحثون بعد ذلك ما إذا كانت هذه الصفائح النانوية حديثة الإنشاء يمكنها محاربة البكتيريا الخطيرة، وتحديداً سلالات "الإشريكية القولونية" (Escherichia coli)، و"المكورات العنقودية الذهبية" (Staphylococcus aureus)، و"السالمونيلا التيفية" (Salmonella typhi) المقاومة للأدوية المتعددة. وقارنوا أداء أكسيد الغرافين الأصلي، وأكسيد الغرافين المختزل الجديد، والغرافيت القياسي. كانت النتائج مفاجئة. فقد أثبت أكسيد الغرافين الأصلي أنه سلاح فعال، حيث خلق مناطق واضحة لا تستطيع البكتيريا النمو فيها، وكان هذا التأثير يزداد قوة مع زيادة التركيز. ومع ذلك، فإن أكسيد الغرافين المختزل الذي أنتجته البكتيريا لم يظهر أي قدرة على قتل هذه المسببات المرضية المقاومة عند التركيزات التي تم اختبارها. كما فشل الغرافيت القياسي أيضاً في إيقاف البكتيريا. وخلص الفريق إلى أنه بينما نجحت البكتيريا في إنشاء المادة، فإن البنية الكيميائية المحددة لأكسيد الغرافين المختزل جعلته أقل فعالية في قتل البكتيريا من النسخة الأصلية غير المختزلة.
وعلى الرغم من غياب النشاط المضاد للبكتيريا في المنتج النهائي، إلا أن الدراسة تسلط الضوء على طريقة ناجحة وصديقة للبيئة لتصنيع المواد النانوية. وأشار الباحثون إلى أن أكسيد الغرافين المختزل الذي أنتجوه غير سام ويحتفظ بمجموعات وظيفية يمكن أن تكون مفيدة في تطبيقات أخرى، مثل نقل الأدوية أو الجينات إلى الخلايا للعلاجات الطبية. كما أن مساحة سطحه الكبيرة تشير إلى إمكانية استخدامه في الإعدادات الصناعية، ربما كمزلق للآلات. وبينما لم تنتج هذه السلالة البكتيرية المحددة مادة تقتل البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة بمفردها، فإن العملية نفسها تقدم مساراً واعداً ومنخفض الطاقة لإنشاء مواد نانوية يمكن دمجها مع عوامل أخرى لمحاربة العدوى أو العمل كأنظمة متطورة لتوصيل الأدوية في الطب. ويؤكد هذا العمل أن الطبيعة يمكن بالفعل تسخيرها لبناء مواد معقدة، بشرط استيفاء الظروف المناسبة.
غارق في أبحاث مجالك؟
تصلك نشرة يومية بأحدث الأبحاث المطابقة لكلماتك البحثية المفتاحية — مع ملخصات تقنية، بلغتك.