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

In de wereld van moderne materialen zijn weinig stoffen zo gevierd als grafeen. Stel je een laag koolstofatomen voor die gerangschikt zijn in een perfecte, enkelvoudige honingraatstructuur; het is ongelooflijk sterk, geleidt elektriciteit met gemak en is zo dun dat het in essentie tweedimensionaal is. Het creëren van dit zuivere materiaal vereist echter vaak agressieve chemicaliën, hoge temperaturen of dure apparatuur die moeilijk op te schalen is voor dagelijks gebruik. Wetenschappers zoeken al lang naar een mildere manier om deze koolstoflagen te maken, een methode die de efficiëntie van de natuur nabootst. Een verwant materiaal, genaamd grafeenoxide, is gemakkelijker te produceren maar draagt extra zuurstofatomen op het oppervlak die het minder geleidend en meer wateroplosbaar maken. Om het beste van beide werelden te krijgen, proberen onderzoekers deze zuurstofgroepen te verwijderen om "gereduceerd grafeenoxide" te creëren, een materiaal dat de nuttige eigenschappen van grafeen behoudt terwijl het gemakkelijker te hanteren is. De uitdaging ligt in het vinden van een methode om deze zuurstofgroepen te verwijderen zonder terug te vallen op giftige chemicaliën of extreme hitte, wat ertoe leidde dat wetenschappers naar de microscopische wereld van bacteriën keken voor een oplossing.

Een team van onderzoekers aan het Lahore College for Women University in Pakistan besloot te testen of een specifieke bacterie deze chemische transformatie kon uitvoeren. Ze begonnen met het verzamelen van bodemmonsters en het isoleren van verschillende bacteriële kolonies, waarbij ze deze screenden om te zien welke er van nature in staat waren grafeenoxide te reduceren. Na het testen van verschillende kandidaten identificeerden ze een enkele stam die eruit sprong. Door middel van genetische analyse bevestigden ze dat deze bacterie Proteus mirabilis was, een veelvoorkomend microbieel organisme in de omgeving. Ze noemden hun specifieke stam MT378377 en zetten zich scharpe focus op het begrijpen van hoe deze precies werkte en onder welke omstandigheden deze het best presteerde. Het doel was om een schoon, milieuvriendelijk proces te creëren dat deze koolstofnanobladen in grote hoeveelheden kon produceren, wat potentieel een groener alternatief biedt voor de traditionele chemische productie.

De onderzoekers ontdekten dat de bacterie fungeerde als een levende fabriek voor deze nanomaterialen. Wanneer ze de bacteriën mengden met een oplossing van grafeenoxide, begonnen de microben de zuurstofgroepen weg te strippen, waardoor het mengsel een diepzwarte kleur kreeg, wat duidde op de vorming van gereduceerd grafeenoxide. Om het perfecte recept voor dit biologische proces te vinden, paste het team de verschillende omstandigheden aan, net zoals een chef een gerecht verfijnt. Ze ontdekten dat de bacteriën het beste werkten bij een warme temperatuur van 37 graden Celsius, wat de standaard lichaamstemperatuur is voor veel organismen. Ze ontdekten ook dat de zuurgraad van het water ertoe deed; een licht zure omgeving met een pH van 5 liet de bacteriën de meeste materie produceren. Het toevoegen van een kleine hoeveelheid zout, specifiek natriumchloride, hielp het proces op weg, evenals het toevoegen van een specifieke surfactant genaamd Tween 80, die helpt bij het mengen van stoffen die normaal gesproken niet goed mengen. De meest effectieve concentratie van het startende grafeenoxide was één milligram per milliliter, en de bacteriën werkten het best wanneer ze in het donker werden gehouden in plaats van in het licht.

Zodra de optimale omstandigheden waren vastgesteld, mat het team hoeveel materiaal er werd geproduceerd en hoe het eruitzag. Onder de juiste omstandigheden genereerden de bacteriën een aanzienlijke hoeveelheid gereduceerd grafeenoxide, wat de onderzoekers bevestigden met behulp van lichtabsorptietests. Wanneer ze het eindproduct onder krachtige microscopen bekeken, zagen ze dat de bacteriën succesvol dunne, plaatachtige structuren hadden gecreëerd. Deze platen waren ongeveer 91 nanometer groot, een schaal die zo klein is dat een miljoen van deze platen naast de breedte van een menselijk haar zou passen. Het materiaal droeg ook een negatieve elektrische lading op het oppervlak, wat helpt om de platen uit elkaar te houden en ervoor zorgt dat ze in water blijven zweven. Chemische analyse toonde aan dat hoewel de bacteriën veel van de zuurstofgroepen uit het oorspronkelijke grafeenoxide hadden verwijderd, er nog steeds wat zuurstof aan het oppervlak was gehecht, wat het materiaal unieke chemische eigenschappen gaf.

De onderzoekers testten vervolgens of deze nieuw gecreëerde nanobladen in staat waren om gevaarlijke bacteriën te bestrijden, waarbij ze specifiek keken naar multidrug-resistente stammen van Escherichia coli, Staphylococcus aureus en Salmonella typhi. Ze vergeleken de prestaties van het oorspronkelijke grafeenoxide, het nieuwe gereduceerde grafeenoxide en standaard grafiet. De resultaten waren verrassend. Het oorspronkelijke grafeenoxide bleek een krachtig wapen te zijn, waarbij het duidelijke zones creëerde waar bacteriën niet konden groeien, waarbij het effect sterker werd naarmate de concentratie toenam. Echter, het door de bacteriën geproduceerde gereduceerde grafeenoxide vertoonde geen vermogen om deze resistente pathogenen te doden bij de geteste concentraties. Het standaard grafiet slaagde er ook niet in om de bacteriën te stoppen. Het team concludeerde dat hoewel de bacteriën het materiaal succesvol hadden gecreëerd, de specifieke chemische structuur van het gereduceerde grafeenoxide het minder effectief maakte in het doden van bacteriën dan de oorspronkelijke, niet-gereduceerde versie.

Ondanks het gebrek aan antibacteriële activiteit in het eindproduct, onderstreept de studie een succesvolle en milieuvriendelijke methode voor de productie van nanomaterialen. De onderzoekers merkten op dat het door hen geproduceerde gereduceerde grafeenoxide niet-toxisch is en functionele groepen behoudt die nuttig kunnen zijn voor andere toepassingen, zoals het transporteren van medicijnen of genen naar cellen voor medische behandelingen. Het grote oppervlak van het materiaal suggereert ook dat het nuttig kan zijn in industriële settings, bijvoorbeeld als smeermiddel voor machines. Hoewel deze specifieke bacteriële stam niet een materiaal produceerde dat op zichzelf multidrug-resistente bacteriën doodt, biedt het proces zelf een veelbelovende, laag-energetische weg om nanomaterialen te creëren die gecombineerd kunnen worden met andere agentia om infecties te bestrijden of te dienen als geavanceerde leveringssystemen in de geneeskunde. Het werk demonstreert dat de natuur inderdaad kan worden ingezet om complexe materialen te bouwen, mits de juiste omstandigheden worden vervuld.