Microbial Synthesis of Reduced Graphene Oxide Nanosheets by Proteus mirabilis MT378377 and Antibacterial Activity against Multidrug Resistant Bacteria

En el mundo de los materiales modernos, pocas sustancias son tan celebradas como el grafeno. Imagine una lámina de átomos de carbono dispuestos en un panal perfecto de una sola capa; es increíblemente fuerte, conduce la electricidad con facilidad y es tan delgada que es esencialmente bidimensional. Sin embargo, la creación de este material prístino a menudo requiere productos químicos agresivos, altas temperaturas o equipos costosos que pueden ser difíciles de escalar para el uso cotidiano. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma más suave de fabricar estas láminas de carbono, una que imite la eficiencia de la naturaleza. Un material relacionado, llamado óxido de grafeno, es más fácil de producir pero lleva átomos de oxígeno adicionales en su superficie que lo hacen menos conductor y más soluble en agua. Para obtener lo mejor de ambos mundos, los investigadores intentan eliminar estos grupos de oxígeno para crear "óxido de grafeno reducido", un material que conserva las propiedades útiles del grafeno siendo, al mismo tiempo, más fácil de manipular. El desafío radica en encontrar un método para eliminar estos grupos de oxígeno sin recurrir a productos químicos tóxicos o calor extremo, lo que llevó a los científicos a buscar una solución en el mundo microscópico de las bacterias.

Un equipo de investigadores del Lahore College for Women University en Pakistán decidió probar si una bacteria específica podía realizar esta transformación química. Comenzaron recolectando muestras de suelo y aislando diversas colonias bacterianas, examinándolas para ver cuáles podían reducir naturalmente el óxido de grafeno. Tras probar varios candidatos, identificaron una sola cepa que destacó. Mediante análisis genético, confirmaron que esta bacteria era Proteus mirabilis, un microbio común encontrado en el medio ambiente. Llamaron a su cepa específica MT378377 y se propuslaron comprender exactamente cómo funcionaba y bajo qué condiciones desempeñaba su labor de manera óptima. El objetivo era crear un proceso limpio y ecológico que pudiera producir estas nanohojas de carbono en grandes cantidades, ofreciendo potencialmente una alternativa más verde a la fabricación química tradicional.

Los investigadores descubrieron que la bacteria actuaba como una fábrica viviente de estos nanomateriales. Cuando mezclaron las bacterias con una solución de óxido de grafeno, los microbios comenzaron a eliminar los grupos de oxígeno, volviendo la mezcla de un color negro profundo, lo que señalaba la formación de óxido de grafeno reducido. Para encontrar la receta perfecta para este proceso biológico, el equipo ajustó diversas condiciones, de forma muy parecida a un chef afinando un plato. Descubrieron que las bacterias funcionaban mejor a una temperatura cálida de 37 grados Celsius, que es la temperatura corporal estándar para muchos organismos. También descubrieron que la acidez del agua importaba; un entorno ligeramente ácido con un pH de 5 permitía que las bacterias produjeran la mayor cantidad de material. Añadir una pequeña cantidad de sal, específicamente cloruro de sodio, ayudó al proceso, al igual que añadir un surfactante específico llamado Tween 80, que ayuda a mezclar sustancias que normalmente no se combinan bien. La concentración más efectiva del óxido de grafeno inicial fue de un miligramo por mililitro, y las bacterias trabajaban mejor cuando se mantenían en la oscuridad en lugar de la luz.

Una vez establecidas las condiciones óptimas, el equipo midió cuánto material se producía y cómo era. Bajo las condiciones adecuadas, las bacterias generaron una cantidad significativa de óxido de grafeno reducido, lo cual los investigadores confirmaron mediante pruebas de absorción de luz. Cuando examinaron el producto final bajo potentes microscopios, vieron que las bacterias habían creado con éxito estructuras delgadas, similares a láminas. Estas hojas tenían aproximadamente 91 nanómetros de tamaño, una escala tan pequeña que un millón de ellas cabrían a lo ancho de un cabello humano. El material también presentaba una carga eléctrica negativa en su superficie, lo que ayuda a que las láminas no se agrupen y asegura que permanezcan suspendidas en el agua. El análisis químico mostró que, si bien las bacterias eliminaron muchos de los grupos de oxígeno del óxido de grafeno original, algo de oxígeno permaneció unido a la superficie, otorgando al material propiedades químicas únicas.

Los investigadores probaron entonces si estas nuevas nanohojas podían combatir bacterias peligrosas, buscando específicamente cepas multirresistentes de Escherichia coli, Staphylococcus aureus y Salmonella typhi. Compararon el rendimiento del óxido de grafeno original, el nuevo óxido de grafeno reducido y el grafito estándar. Los resultados fueron sorprendentes. El óxido de grafeno original demostró ser un arma potente, creando zonas claras donde las bacterias no podían crecer, con un efecto que se fortalecía a medida que aumentaba la concentración. Sin embargo, el óxido de grafeno reducido producido por las bacterias no mostró capacidad para matar a estos patógenos resistentes en las concentraciones probadas. El grafito estándar también falló en detener a las bacterias. El equipo concluyó que, aunque las bacterias crearon con éxito el material, la estructura química específica del óxido de grafeno reducido lo hacía menos efectivo para matar bacterias que la versión original no reducida.

A pesar de la falta de actividad antibacteriana en el producto final, el estudio destaca un método exitoso y respetuoso con el medio ambiente para la fabricación de nanomateriales. Los investigadores señalaron que el óxido de grafeno reducido que produjeron no es tóxico y conserva grupos funcionales que podrían ser útiles para otras aplicaciones, tales como transportar fármacos o genes hacia las células para tratamientos médicos. La gran superficie de este material también sugiere que podría ser útil en entornos industriales, quizás como lubricante para maquinaria. Aunque esta cepa bacteriana específica no produjo un material que mate a las bacterias multirresistentes por sí solo, el proceso en sí ofrece una vía prometedora y de baja energía para crear nanomateriales que podrían combinarse con otros agentes para combatir infecciones o servir como sistemas avanzados de entrega en medicina. El trabajo demuestra que la naturaleza puede, de hecho, ser aprovechada para construir materiales complejos, siempre que se cumplan las condiciones adecuadas.