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

Nel mondo dei materiali moderni, poche sostanze sono celebrate quanto il grafene. Immaginate un foglio di atomi di carbonio disposti in un perfetto nido d'ape a strato singolo; è incredibilmente resistente, conduce l'elettricità con facilità ed è così sottile da essere essenzialmente bidimensionale. Tuttavia, la creazione di questo materiale incontaminato richiede spesso sostanze chimiche aggressive, temperature elevate o attrezzature costose che possono essere difficili da scalare per l'uso quotidiano. Gli scienziati cercano da tempo un modo più delicato per fabbricare questi fogli di carbonio, uno che imiti l'efficienza della natura. Un materiale correlato, chiamato ossido di grafene, è più facile da produrre ma porta con sé atomi di ossigeno extra sulla sua superficie che lo rendono meno conduttivo e più solubile in acqua. Per ottenere il meglio di entrambi i mondi, i ricercatori cercano di rimuovere questi gruppi ossigeno per creare l' "ossido di grafene ridotto", un materiale che conserva le proprietà utili del grafene pur essendo più facile da gestire. La sfida consiste nel trovare un metodo per rimuovere questi gruppi ossigeno senza ricorrere a sostanze chimiche tossiche o calore estremo, portando gli scienziati a guardare verso il mondo microscopico dei batteri per una soluzione.

Un team di ricercatori presso il Lahore College for Women University in Pakistan ha deciso di testare se un batterio specifico potesse eseguire questa trasformazione chimica. Hanno iniziato raccogliendo campioni di suolo e isolando varie colonie batteriche, setacciandole per vedere quali potessero ridurre naturalmente l'ossido di grafene. Dopo aver testato diversi candidati, hanno identificato un singolo ceppo che si distingueva. Attraverso l'analisi genetica, hanno confermato che questo batterio era Proteus mirabilis, un microbo comune presente nell'ambiente. Hanno chiamato il loro specifico ceppo MT378377 e si sono posti l'obiettivo di capire esattamente come funzionasse e in quali condizioni prestasse al meglio. L'obiettivo era creare un processo pulito ed ecologico che potesse produrre questi nanosheets di carbonio in grandi quantità, offrendo potenzialmente un'alternativa più verde alla tradizionale produzione chimica.

I ricercatori hanno scoperto che il batterio agiva come una fabbrica vivente per questi nanomateriali. Quando hanno mescolato i batteri con una soluzione di ossido di grafene, i microbi hanno iniziato a rimuovere i gruppi ossigeno, facendo diventare la miscela di un colore nero intenso, il che segnalava la formazione di ossido di grafene ridotto. Per trovare la ricetta perfetta per questo processo biologico, il team ha regolato varie condizioni, proprio come uno chef che assaggia un piatto. Hanno scoperto che i batteri lavoravano meglio a una temperatura calda di 37 gradi Celsius, che è la temperatura corporea standard per molti organismi. Hanno anche scoperto che l'acidità dell'acqua era importante; un ambiente leggermente acido con un pH di 5 permetteva ai batteri di produrre il maggior quantitativo di materiale. L'aggiunta di una piccola quantità di sale, specificamente cloruro di sodio, ha aiutato il processo, così come l'aggiunta di un particolare tensioattivo chiamato Tween 80, che aiuta a mescolare sostanze che di solito non si fondono bene. La concentrazione più efficace dell'ossido di grafene di partenza era di un milligrammo per millilitro, e i batteri lavoravano meglio se tenuti al buio piuttosto che alla luce.

Una volta stabilite le condizioni ottimali, il team ha misurato quanto materiale veniva prodotto e com'era fatto. Sotto le giuste condizioni, i batteri hanno generato una quantità significativa di ossido di grafene ridotto, che i ricercatori hanno confermato tramite test di assorbimento della luce. Quando hanno esaminato il prodotto finale sotto potenti microscopi, hanno visto che i batteri avevano creato con successo strutture sottili, simili a fogli. Questi fogli erano di circa 91 nanometri di dimensioni, una scala così piccola che un milione di essi starebbe nella larghezza di un capello umano. Il materiale presentava anche una carica elettrica negativa sulla sua superficie, il che aiuta a impedire ai fogli di raggrupparsi e assicura che rimangano sospesi in acqua. L'analisi chimica ha mostrato che, sebbene i batteri avessero rimosso molti dei gruppi ossigeno dall'ossido di grafene originale, dell'ossigeno rimaneva ancora attaccato alla superficie, conferendo al materiale proprietà chimiche uniche.

I ricercatori hanno poi testato se questi nuovi nanosheets potessero combattere batteri pericolosi, guardando specificamente a ceppi multiresistenti di Escherichia coli, Staphylococcus aureus e Salmonella typhi. Hanno confrontato le prestazioni dell'ossido di grafene originale, del nuovo ossido di grafene ridotto e della grafite standard. I risultati sono stati sorprendenti. L'ossido di grafene originale si è dimostrato un'arma potente, creando zone chiare dove i batteri non potevano crescere, con un effetto che diventava più forte all'aumentare della concentrazione. Tuttavia, l'ossido di grafene ridotto prodotto dai batteri non mostrava alcuna capacità di uccidere questi patogeni resistenti alle concentrazioni testate. Anche la grafite standard non è riuscita a fermare i batteri. Il team ha concluso che, sebbene i batteri avessero creato con successo il materiale, la specifica struttura chimica dell'ossido di grafene ridotto lo rendeva meno efficace nel uccidere i batteri rispetto alla versione originale non ridotta.

Nonostante la mancanza di attività antibatterica nel prodotto finale, lo studio evidenzia un metodo di produzione di nanomateriali riuscito e rispettoso dell'ambiente. I ricercatori hanno notato che l'ossido di grafene ridotto da loro prodotto è non tossico e conserva gruppi funzionali che potrebbero essere utili per altre applicazioni, come il trasporto di farmaci o geni nelle cellule per trattamenti medici. La grande superficie del materiale suggerisce inoltre che potrebbe essere utile in contesti industriali, forse come lubrificante per macchinari. Sebbene questo specifico ceppo batterico non abbia prodotto un materiale che uccide i batteri multiresistenti da solo, il processo stesso offre una via promettente a basso consumo energetico per creare nanomateriali che potrebbero essere combinati con altri agenti per combattere le infezioni o servire come sistemi avanzati di rilascio in medicina. Il lavoro dimostra che la natura può effettivamente essere sfruttata per costruire materiali complessi, a patto che vengano soddisfatte le giuste condizioni.