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

現代の材料の世界において、グラフェンのように称賛される物質はほとんどありません。炭素原子が完璧な単層のハニカム構造で配列されたシートを想像してみてください。それは驚異的な強度を持ち、電気を容易に伝え、非常に薄いため、実質的に二次元的です。しかし、この純粋な材料を作るには、過酷な化学薬品、高温、あるいは日常的な使用のためにスケールアップするのが難しい高価な装置が必要になることがよくあります。科学者たちは、自然の効率性を模倣した、より穏やかな方法でこれらの炭層を作る方法を長年探し求めてきました。関連する材料として「酸化グラフェン」と呼ばれるものがありますが、これは製造は容易なものの、表面に余分な酸素原子を保持しているため、導電性が低く水に溶けやすいという性質があります。両方の良いとこ取りをするために、研究者たちはこれらの酸素基を取り除き、「還元型酸化グラフェン」を作成しようと試みています。これは、グラフェンの有用な特性を維持しつつ、扱いやすくした材料です。課題は、毒性のある化学薬品や極端な熱に頼ることなく、これらの酸素基を取り除く方法を見つけることであり、そのため科学者たちは解決策を求めて微生物の世界へと目を向けました。

パキスタンのラホール女子大学の研究チームは、特定の細菌がこの化学的変化を実行できるかどうかをテストすることに決めました。彼らは土壌サンプルを収集して様々な細菌コロニーを分離し、それらが自然に酸化グラフェンを還元できるかどうかをスクリーニングしました。いくつかの候補をテストした後、彼らは際立った単一の菌株を特定しました。遺伝子解析を通じて、この細菌が環境中に広く存在する一般的な微生物である「プロテウス・ミラビリス（Proteus mirabilis）」であることを確認しました。彼らはこの特定の菌株をMT378377と命名し、それが具体的にどのように機能し、どのような条件下で最も高い性能を発揮するのかを理解することに着手しました。目標は、これらのカーボンナノシートを大量に生産できる、クリーンで環境に優しいプロセスを作り出すことであり、これは従来の化学製造に対する、よりグリーンな代替案となる可能性があります。

研究者たちは、この細菌がこれらのナノ材料の「生きた工場」として機能することを発見しました。細菌を酸化グラフェンの溶液と混合すると、微生物が酸素基を取り除き始め、混合物が深い黒色へと変化しました。これは還元型酸化グラフェンの形成を示す合図です。この生物学的プロセスのための「完璧なレシピ」を見つけるために、チームは料理人が味を整えるように、様々な条件を調整しました。彼らは、多くの生物にとっての標準的な体温である摂氏37度の温かい温度で、細菌が最もよく機能することを見出しました。また、水の酸性度も重要であり、pH 5のわずかに酸性の環境が、細菌による材料生産を最も促進させました。微量の塩、具体的には塩化ナトリウムを加えること、そして通常は混ざり合わない物質を混ぜるのを助ける界面活性剤であるTween 80を加えることも、プロセスを助けました。出発原料となる酸化グラフェンの最も効果的な濃度は、1ミリリットルあたり1ミリグラムであり、細菌は光の下よりも暗い場所で置かれた時に最もよく機能しました。

最適な条件が確立されると、チームは生産された材料の量とその外観を測定しました。適切な条件下では、細菌はかなりの量の還元型酸化グラフェンを生成し、研究者たちは光吸収テストを用いてこれを確認しました。強力な顕微鏡で最終製品を観察すると、細菌が薄いシート状の構造を正常に作り出していることが分かりました。これらのシートのサイズはおよそ91ナノメートルであり、これは100万個のシートが人間の髪の毛の幅に収まるほどの小さなスケールです。この材料は表面に負の電荷を帯びており、これがシート同士の凝集を防ぎ、水中に分散した状態を維持するのに役立っています。化学分析によれば、細菌は元の酸化グラフェンから多くの酸素基を取り除きましたが、一部の酸素が表面に付着したままであり、それが材料に独特の化学的特性を与えています。

研究者たちは、これら新たに作成されたナノシートが危険な細菌、具体的には多剤耐性を持つ大腸菌（Escherichia coli）、黄色ブドウ球菌（Staphylococcus aureus）、およびチフス菌（Salmonella typhi）を撃退できるかどうかをテストしました。彼らは、元の酸化グラフェン、新しく作られた還元型酸化グラフェン、および標準的なグラファイトの性能を比較しました。結果は驚くべきものでした。元の酸化グラフェンは強力な武器となり、細菌が増殖できない明確な阻止円を作り出し、その効果は濃度が高くなるにつれて強まりました。しかし、細菌によって生成された還元型酸化グラフェンは、テストされた濃度においては、これらの耐性病原体を殺す能力を示しませんでした。標準的なグラファイトも細菌を阻止することに失敗しました。チームは、細菌が材料を成功裏に作成した一方で、この還元型酸化グラフェンの特定の化学構造が、元の（還元されていない）バージョンよりも細菌を殺す能力を低くさせていると結論付けました。

抗菌活性の欠如にもかかわらず、この研究は、ナノ材料を製造するための成功した環境に優しい手法を浮き彫りにしています。研究者たちは、彼らが生成した還元型酸化グラフェンは無毒であり、細胞内に薬物や遺伝子を運ぶといった他の用途に有用な官能基を保持していると指摘しました。また、その大きな表面積は、産業分野における潤滑剤としての利用など、他の用途への有用性を示唆しています。この特定の細菌株自体は、単独で多剤耐性菌を殺す材料を生み出しませんでしたが、プロセス自体は、感染症と戦うための他の薬剤と組み合わせたり、医学における高度なデリバリーシステムとして活用したりできる、ナノ材料を作成するための有望な低エネルギー経路を提供しています。この研究は、適切な条件さえ満たされれば、自然を活用して複雑な材料を構築できるということを証明しています。