Cu:Ag Bimetallische Nanodeeltjes: Verbeterde Antibacteriële Werking Tegen Antibiotica-Resistente Stammen – Een Moleculaire Dockingstudie

Samenvatting

Deze studie evalueert de invloed van verschillende concentraties zilver (Ag) in Cu:Ag-bimetallische nanodeeltjes die zijn ontwikkeld als veelbelovend antibacterieel middel tegen antibiotica-resistente bacteriën. Cu:Ag-bimetallische nanodeeltjes met diverse concentratieratio's (2,5, 5,0, 7,5 en 10 wt%) Ag in een vaste hoeveelheid koper (gelabeld als 1:0,025, 1:0,050, 1:0,075 en 1:0,1) zijn gesynthetiseerd via de co-precipitatiemethode met ammoniumhydroxide en gedemineraliseerd water als oplosmiddel, polyvinyopyrrolidon als kapselingsmiddel, en natriumborhydried en ascorbinezuur als reducerende middelen. De geformuleerde producten zijn gekarakteriseerd met diverse technieken. XRD bevestigde de fasezuiverheid en de aanwezigheid van afzonderlijke fcc-structuren van zowel Cu- als Ag-fasen. FTIR-spectroscopie bevestigde de aanwezigheid van trillingsmodi die overeenkomen met diverse functionele groepen en registreerde een karakteristieke piek van het bimetallische materiaal. UV-zichtbare spectroscopie toonde een afname van de bandkloof met toenemende Ag-inhoud. SEM- en HR-TEM-micrografieken onthulden een sferische morfologie van Ag-gedoteerde Cu-bimetallische deeltjes met agglomering op zowel kleine als grote schaal. De monsters vertoonden variërende afmetingen en tussenlaagafstanden. De bactericide werking van de gesynthetiseerde Cu:Ag-bimetallische NP's toonde statistisch significante (P < 0,05) inhibitiesones voor diverse Ag-dopantconcentraties tegen Staphylococcus aureus (S. aureus), Escherichia coli (E. coli) en Acinetobacter baumannii (A. baumannii), variërend van respectievelijk (0,85–2,8 mm), (0,55–1,95 mm) en (0,65–1,85 mm). In het algemeen bleken Cu:Ag-bimetallische NP's krachtiger tegen gram-positieve bacteriën vergeleken met gram-negatieve. Een moleculaire dockingstudie van Ag–Cu-bimetallische NP's werd uitgevoerd tegen β-lactamase, een sleutelenzym in de celwandsynthese-route, van zowel S. aureus (bindingscore: −4,981 kcal/mol) als A. baumannii (bindingscore: −4,013 kcal/mol). eveneens werd de bindingsinteractie geanalyseerd tegen FabI (vetzuursynthese-route) van A. baumannii (bindingscore: −3,385 kcal/mol) en S. aureus (bindingscore: −3,012 kcal/mol), alsook FabH van E. coli (bindingscore: −4,372 kcal/mol). Deze theoretische berekeningen wijzen op Cu-Ag-bimetallische NP's als mogelijke inhibitoren van de geselecteerde enzymen. Het wordt aanbevolen om de in vitro-inhibitiepotentie van deze materialen te verkennen, wat nieuwe wegen voor antibioticumontdekking kan openen.

Inleiding

Een grote verscheidenheid aan micro-organismen – bacteriën, schimmels, virussen en parasieten – is aanwezig in de aarde en haar omgeving. Deze soorten veroorzaken complicaties bij de productie en het gebruik van medische apparatuur, gezondheidsproducten, verwerkte voedselproducten, waterzuiveringssystemen en huishoudelijke sanitaire producten [1, 2]. Antibiotica worden routinematig voorgeschreven door artsen om bacteriën die ziekten veroorzaken bij mensen en dieren te doden. Het nadeel van frequente antibiotica-gebruik is dat bacteriën met de tijd medicijnresistent worden. Antibiotica reduceren ook het aantal 'goede' bacteriën in het lichaam die infecties bestrijden. Ziekten voortvloeiend uit infecties door antibiotica-resistente bacteriën zijn een grote zorgenbron in de geneeskunde. In dit kader zijn veel keimen geïdentificeerd als medicijnresistent [3–7]. Er worden nieuwe pogingen ondernomen om het probleem van medicijnresistente bacteriën aan te pakken en huidige antimicrobiële middelen te vervangen door efficiëntere en complementaire therapieën. Nanotechnologie heeft hierbij een substantiële bijdrage geleverd aan de productie van nanomaterialen zoals metallische en metalenoxide NP's (zoals Ag, Cu, CuO, TiO₂, SiO₂, MgO en ZnO) om het stijgend aantal antimicrobiele-resistente micro-organismen te bestrijden. Onder deze materialen hebben Cu- en Ag-NP's veelbelovende antimicrobiële eigenschappen getoond [8–12].

In de afgelopen jaren zijn bimetallische NP's ontwikkeld voor diverse toepassingen in chemie, materiaalwetenschap, biotechnologie en milieubescherming. Bimetallische NP's die koper (Cu) en zilver (Ag) bevatten, met een hoog fractie van oppervlakte-atomen en een groot specifiek oppervlak, zijn breed bestudeerd [13]. Deze NP's zijn van groot belang vanwege hun verbeterde chemische, optische, katalytische, biologische, plasmonische en vooral antimicrobiële eigenschappen [14–20]. Ag-ionen kunnen door ethanol worden gereduceerd onder atmosferische omstandigheden bij 800–1000 °C om zilver-NP's te verkrijgen [21, 22]. Zilver-NP's bezitten een goede antimicrobiële effectiviteit en worden daarom gebruikt in zonnecrèmes en waterbehandeling [23]. Cu-NP's worden geproduceerd door reductie van kopersulfaat met hydrazine in ethylenglycol onder microgolfbestraaling en kunnen ook als antibacterieel middel dienen [24–26].

Metalen zoals Cu en Ag afzonderlijk bezitten geen veelbelovende optische, katalytische en structurele eigenschappen en kunnen niet omgezet worden in bimetallische systemen. Door beide metalen (Cu:Ag) te combineren, ontstaan nieuwe mogelijkheden om de structuur en morfologie van het resulterende product af te stemmen op de gewenste toepassing. Afhankelijk van de uiteindelijke structuur – bijvoorbeeld kern-schil, dumbelstructuur, tweetal-interface, willekeurig-gemengde of bloemvormige structuur – kunnen bimetallische NP's een scala aan antimicrobiële activiteit vertonen [27–31]. Er zijn diverse methoden beschikbaar voor de synthese van bimetallische NP's, waaronder co-precipitatie, sol-gel, hydrothermisch, reductie, micro-emulsie en polyol-methode [32–37].

In deze studie zijn Cu:Ag-bimetallische NP's gesynthetiseerd via de co-precipitatiemethode met ammoniumhydroxide en gedemineraliseerd water als oplosmiddel, polyvinyopyrrolidon als kapselingsmiddel, en natriumborhydried en ascorbinezuur als reducerende middelen. Vier monsters met verschillende concentraties zijn bereid. Met toenemende Ag-concentraties in de bereide bimetallische NP's lieten de monsters een verhoogde activiteit zien tegen bacteriën Acinetobacter baumannii die koorts en misselijkheid veroorzaken. Het gesynthetiseerde materiaal vertoonde een rode kleur tijdens snelle groei, wat suggereert dat de antimicrobiële activiteit toeneemt met stijgende Ag-concentraties in de bimetallische NP's. Daarnaast zijn in silico-voorspellingen met moleculaire docking uitgevoerd om het interactiepatroon van Cu:Ag-bimetallische NP's te identificeren tegen het β-lactamase-enzym van de celwandsynthese-route en de FabI- en FabH-enzymen van de vetzuursynthese-route.

Methoden

Materialen

Koper(II)chloride (CuCl₂·0,2H₂O, 98,9%) en zilvernitraat (AgNO₃) als precursoren, polyvinyopyrrolidon (PVP, gemiddeld molecuulgewicht 40.000) als kapselingsmiddel, natriumborhydried (NaBH₄, 99,9%) en L-ascorbinezuur (C₆H₈O₆, 99,0%) als reducerende middelen en ammoniumhydroxide (NH₄OH) zijn gebruikt in deze studie na verwerving van Sigma Aldrich, VS.

Synthese van bimetallische Cu:Ag NP's

Bimetallische Cu:Ag NP's zijn bereid met de co-precipitatiemethode zoals weergegeven in Fig. 1. In gedemineraliseerd water werden 1,25 g PVP en 0,5 g ascorbinezuur toegevoegd en vigor roerend gemengd bij 100 °C. Twee oplossingen van 40 ml ammoniumhydroxide werden apart bereid; in de ene werd 1,7 g koperchloride en in de andere 1,7 g zilvernitraat opgelost. Deze twee oplossingen werden achtereenvolgens in de initiële oplossing gegoten met toevoeging van 0,5 g NaBH₄. Vervolgens werd de finale oplossing 4 uur bij 100 °C geroerd om homogeniteit te verkrijgen en later gecentrifugeerd bij 6000 rpm voor complete extractie van de NP's. De verkregen bimetallische NP's werden gedroogd bij 100 °C voor complete verwijdering van vocht en verontreinigingen, om te waarborgen dat de bereide bimetallische producten in zuivere vorm waren [12]. Op dezelfde manier werden vier monsters met verschillende Ag-concentraties (mol 2,5%, 5%, 7,5% en 10%) bereid met vaste Cu-ratio's.

Antimicrobiële activiteit

Het in vitro bactericide potentieel van Cu:Ag-bimetallische NP's werd geëvalueerd tegen pathogene bacteriën S. aureus, E. coli en A. baumannii geïsoleerd uit boviene mastitismelk met behulp van de putdiffusiemethode. Mannitolzoutagar, MacConkey-agar en Lauria-Bertani-agar werden bezaaid met geïsoleerde bacteriën met een actieve groei van 1,5 × 10⁸ CFU/ml. Na uitharding van het medium werden vijf putten gemaakt met een gele pipet met afmetingen van 15 mm diameter en tien microliter (5 µg/ml). Vers bereide Cu:Ag-bimetallische NP's werden in de putten geladen met verschillende ratio's, in vergelijking met tien microliter amoxicilline (5 µg/ml) als positieve controle en 50 µl gedemineraliseerd water als negatieve controle. De bactericide activiteit van de gesynthetiseerde Cu:Ag-bimetallische NP's werd bepaald door de inhibitiesones (in mm) te meten die zich vormden na 15 uur incubatie bij 37 °C.

Statistische analyse

De bactericide activiteit van de gesynthetiseerde NP's met inhibitiesonemeting (mm) werd als statistisch significant beschouwd met behulp van SPSS 20.0, eensijdige variantieanalyse (ANOVA) [57].

Moleculaire dockingstudie

Antibiotica remmen bacteriële groei en veroorzaken bacteriedood door celschade, verstoring van biochemische processen, celmembraanschade en penetratie door biofilms [38]. In de laatste decennia zijn talloze nanodeeltjes met potentieel bactericide activiteit gerapporteerd, die bacteriën doden via celschade of door de voedselbron te blokkeren via een mechanisme vergelijkbaar met bekende antibiotica [39–41]. Enzymen behorende tot deze biochemische routes worden daarom beschouwd als belangrijke en aantrekkelijke doelen voor antibioticumontdekking [12]. Hier zijn sleutelenzymen uit de celwandsynthese-route (β-lactamase) en vetzuursynthese-route (FabH en FabI) geselecteerd als mogelijke doelen om het interactiemechanisme van Cu:Ag-bimetallische NP's met hun actieve bag als inhibitoren te evalueren (zie Fig. 2).

De 3D-structurele parameters van de geselecteerde enzymen werden opgehaald uit de Protein Data Bank met PDB-code: 4U0X (2,03 Å resolutie) voor β-lactamase [42] en 6AH9; resolutie 1,74 Å [43] voor Enoyl-[acyl-carrier-proteïne] reductase (FabI) van A. baumannii. De β-lactamase (3D-structuur) met PDB-ID: 1MWU; resolutie 2,6 Å [44] en FabI met PDB-code: 4CV1; resolutie 1,95 [45] van S. aureus, terwijl voor FabH van E. coli PDB-code: 4Z8D; resolutie 2,0 Å [46] geldt.

De moleculaire dockingstudie van Cu:Ag-bimetallische NP's werd uitgevoerd met ICM Molsoft v3.8–4a of hoger (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) software om bindingsinteracties met sleutelresiduen van de actieve plek te identificeren [47]. Het protein/receptor-voorbereidingstool van ICM werd gebruikt voor optimalisatie en structuurvoorbereiding van de geselecteerde enzymdoelen. De stappen omvatten toevoeging van polaire H-atomen, verwijdering van watermoleculen en energieminimalisatie met standaardparameters. Het co-gekristalliseerde ligandmolecuul werd verwijderd om ruimte te schaffen voor docking van NP's. De bindingszak werd gedefinieerd met een grid-box die de positie van het gekristalliseerde ligand aangeeft. De conformatie met de laagste bindingsenergie uit de top 10 gedokte conformaties werd in elk geselecteerd om het interactiepatroon en de bindingstendens van Ag–Cu-bimetallische NP's in de actieve bag te analyseren. PyMOL en Discovery Studio Visualizer software werden gebruikt voor analyse en 3D-weergave van bindingsinteracties [48]. De structuur van Cu:Ag-bimetallische NP's werd opgehaald uit PubChem in .sdf-formaat.

Karakterisering

Structurele analyse en fasezuiverheid werden waargenomen met XRD (PAN analytical X'pert pro XRD) met Cu-Kα-straling (λ = 0,154 nm, 20° tot 80°). De aanwezigheid van trillingsmodi die overeenkomen met diverse functionele groepen werd geëvalueerd met Fourier-transformatie infraroodspectroscopie (FTIR) met een Perkin Elmer-spectrometer. Absorptiespectra werden verkregen met een UV-zichtbaar Genesys 10S-spectrofotometer. FESEM gekoppeld met EDS-spectrometer (JSM-6610LV) en HR-TEM (JEOL JEM 2100F) werden gebruikt om oppervlaktemorfologieën te visualiseren. De ICM v3.8-4a of hogere software (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) werd gebruikt voor moleculaire dockinganalyse.

Resultaten en Discussie

XRD-analyse werd uitgevoerd om de samenstelling van fasen en kristalstructuur van de geformuleerde producten te beoordelen. Figuur 3a toont het XRD-patroon geploteerd tussen 20° en 80°. In bimetallisch Cu:Ag worden waargenomen reflecties rond ~38,2°, 46°, 64,4° en 77,1° toegeschreven aan de (111), (200), (220) en (311) facetten van de fcc Ag-fase volgens JCPDS Nr. 04-0783 [32, 49–52]. Voor Cu verschijnen diffracties bij 32,6°, 44,2° en 51°, wat de (110), (111) en (200) roostervlakken aanduidt die de aanwezigheid van fcc-gestructureerde CuO en metaal-Cu bevestigen, respectievelijk, en goed overeenkomen met JCPDS Nr. 04-0836 [32, 53–56]. In het geëxtraheerde patroon werden zowel Ag- als Cu-pieken waargenomen, wat de aanwezigheid van NP's met zowel Ag- als Cu-fasen betekent. Bovendien wijst de aanwezigheid van CuO in monsters met lagere Ag-inhoud (bijv. 1:0,025, 1:0,050 en 1:0,075) erop dat Cu-NP's geoxideerd waren en een niet-beschermend gedrag vertoonden bij hoge temperatuur door lagere Ag-concentraties [52]. In het monster met de hoogste Ag-inhoud (1:0,1) vertoont de CuO-piek een lage intensiteit, wat de vorming van een deels oxide-vrij product aangeeft [57]. Dit suggereert dat een verbeterde oxidatieresistentie van bimetallische NP's optreedt door de toevoeging van Ag [52]. Geen additionele onzuiverheidspieken werden gedetecteerd binnen de detectielimieten van het instrument, terwijl elk kristallografisch vlak energetisch afzonderlijke plaatsen omvat gebaseerd op atoomdichtheid. Zowel Cu- als Ag-NP's hebben hoge atoomdichtheidsfaceten bij (111) die de maximale oriëntatie van vlakken blootleggen [51, 58]. Met de wet van Bragg werden d-afstanden van Ag en Cu respectievelijk 0,24 en 0,21 nm gevonden, wat overeenkomt met het afzonderlijke vlak (111) van beide elementen en in lijn was met HR-TEM-bevindingen (Fig. 6) [51, 59–62]. De corresponderende SAED-ringen (Fig. 3b–d) verkregen van de bereide bimetallische producten tonen duidelijke ringpatronen die goed gekristalliseerde producten aantonen en goed overeenkomen met XRD-patronen.

FTIR-spectra werden geregistreerd tussen 500 en 4000 cm⁻¹ zoals gepresenteerd in Fig. 3e; de transmissieband geplaatst tussen 600 en 900 cm⁻¹ wordt veroorzaakt door de vorming van Cu:Ag-bindingen [63]. De waargenomen band rond ~1200 en 1400 cm⁻¹ wordt toegeschreven aan respectievelijk C–O en C–H; pieken die verschijnen bij ~1800 en 2100 cm⁻¹ corresponderen met C=O en N–H-bindingen door PVP en NH₄OH [64]. Transmissies waargenomen rond ~2800 cm⁻¹ en 3400 cm⁻¹ worden toegeschreven aan de aanwezigheid van C≡N en hydroxylegroep (O–H) [64].

Figuur 4a toont de absorptiespectra van Ag–Cu-bimetallische NP's met duidelijke absorptiebanden op 340, 410 en 500 nm, toegeschreven aan oppervlakteplasmonresonantie-absorptie van metaal Ag en Cu [52]. De band op 410 nm ontstaat typisch door de aanwezigheid van Ag-NP's, en de latere piek op 510 nm wordt toegeschreven aan het bestaan van Cu-NP's [52, 57–59, 65–67]. Het kan worden voorgesteld dat bimetallische NP's zijn ontwikkeld met afzonderlijke Ag- en Cu-fasen, in plaats van bimetallische ontwikkeling, wat ook bevestigd werd door XRD-resultaten [52]. Een lichte rode verschuiving in de absorptieband op 410 nm en een toename in maximale absorptie met toenemende Ag-inhoud werd waargenomen [58]. Met behulp van de Tauc-vergelijking,

[αhν = K(hν - Eg)ⁿ] (1)

waarbij α de absorptiecoëfficiënt is [2,303 log(T/d), T is doorgelaten licht en d toont de dikte van de monstercel], h symbooliseert de constante van Planck (6,62607015 × 10⁻³⁴ Js), ν is de frequentie van het licht, K toont de absorptie-index en Eg is gelijk aan de bandkloofenergie in eV. De waarde van "n" is gerelateerd aan het type elektronische overgang van de bandkloof [13, 26, 68, 69]. De bandkloof van de bereide bimetallische producten werd berekend en bedroeg 3,2, 2,9, 2,7 en 2,6 eV, zoals gedemonstreerd in Fig. 4b–e.

Uit SEM-beelden (Fig. 5a–d) van de gesynthetiseerde Cu:Ag-bimetallische nanocomposieten werd waargenomen dat kleinste deeltjes waren gedeponeerd op het oppervlak van grote deeltjes. Een toename van Ag-inhoud van 2,5 tot 7,5% leidde tot de vorming van diverse deeltjes met varierende morfologie die uiteindelijk uitmondde in klonterige Cu:Ag-NP's. Verder nam de accumulatie van oneffen en kleine Ag-deeltjes toe met toenemende dopantconcentratie, wat duidt op het verschijnen van meer verstrooide blokken op het oppervlak. Dit betekent de grote invloed die Ag-doping in Cu heeft op morfologie, wat verder bevestigd werd met HR-TEM-micrografieken (zie Fig. 5e–h).

Om de morfologie en d-afstand van de bereide bimetallische NP's nader te elaboreren, werd HR-TEM met 10 nm resolutie gebruikt. In Fig. 6a correspondeert d-afstand (0,21 nm) van Cu-NP's met het (111) facet van Cu, zoals ook duidelijk is in XRD-resultaten (Fig. 3a). Figuur 6b toont een lichte toename in laagafstand (0,21 tot 0,22 nm) en toont Ag-NP's met 0,24 nm interplanaire afstand die overeenkomt met het (111) vlak. Op dezelfde manier tonen Fig. 6c, d berekende laagafstanden en afzonderlijke fasen van het bimetallische materiaal, terwijl Fig. 6e de deeltjesvorm van Ag- en Cu-NP's demonstreert. De deeltjes in HR-TEM-beelden lijken een kern-schilstructuur te bezitten. In Fig. 6d werden binnen een enkel deeltje roosterfranjes afkomstig van Cu en Ag vastgelegd. Dit wijst sterk op de vorming van kern-schil-bimetallische NP's met verschillende Cu:Ag-ratio's die irreguliere quasi-sferische NP's opleveren. Bovendien toonde de TEM-afbeelding deeltjes die lijken op donkere en lichtere gebieden. Deze contrastvariatie binnen een enkel deeltje kan de aanwezigheid van twee afzonderlijke constituente materialen aanduiden, wat de creatie van bimetallische Cu:Ag-deeltjes suggereert [70, 71].

De aanwezigheid van een duidelijke piek in het EDS-spectrum en elementaire samenstelling afkomstig van het bimetallische materiaal bevestigde de succesvolle vorming van Cu:Ag-NP's. Figuur 7a vertegenwoordigt het EDS-spectrum verkregen van het 1:0,050 monster dat duidelijke pieken van Cu en Ag toont. Figuur 7b is afkomstig van het 1:0,10 monster waar pieken voor C en O werden gedetecteerd in gedoteerde monsters. Deze verschijnen omdat koolstof-tabs worden gebruikt om monsters vast te houden tijdens SEM-onderzoek en/of door achtergrondtellingen in de SEM-EDS-sensor.

De in vitro bactericide effectiviteit van Cu:Ag-bimetallische NP's met behulp van de agar-putdiffusie-assay wordt gepresenteerd in Tabel 1. De resultaten tonen een direct evenredige relatie tussen de gesynthetiseerde NP-concentratie en inhibitiesones (mm). Statistisch significante (P < 0,05) inhibitiesones werden vastgelegd voor (2,5, 5, 7,5 en 10 wt%) Ag-dopant tegen S. aureus, E. coli en A. baumannii, variërend van respectievelijk 0,85–2,8 mm, 0,55–1,95 mm en 0,65–1,85 mm, zie Tabel 1. Alle resultaten werden vergeleken met gedemineraliseerd water (0 mm) en amoxicilline (4 mm) als negatieve en positieve controle, respectievelijk. De %-effectiviteit van gedoteerde NP's nam toe (21,2–70%), (13,7–48,7%) en (16,2–46,2%) tegen S. aureus, E. coli en A. baumannii, respectievelijk. Over het algemeen bleken Cu:Ag-bimetallische NP's krachtiger tegen S. aureus (gram-positief) vergeleken met E. coli en A. baumannii (gram-negatief).

Grootte, concentratie en vorm van NP's beïnvloeden direct de oxidatieve stress geproduceerd door nanoestructuren. De bactericide effectiviteit in de vorm van inhibitiesones (mm) verbeterde door hogere wt% doping van Ag-gedoteerde Cu-bimetallische NP's door verhoogde beschikbaarheid van kationen (++). De bactericide actie met betrekking tot grootte en concentratie vertoont een inverse relatie tot grootte [58, 59]. Nano-gestructureerde materialen produceren efficiënt reactieve zuurstofsoorten (ROS) die in bacteriële celmembranen verblijven, leidend tot uiteinden van celorganellen en uiteindelijk bacteriedood [60]. Naast ROS-productie resulteert de kationische interactie van Ag⁺ en Cu²⁺ met negatief geladen delen van de bacteriële celmembraan in verbeterde bactericide effectiviteit bij toenemende concentraties door cellyse en bacteriële instorting [58, 61].

Biologische toepassingen van diverse klassen nanodeeltjes zijn de afgelopen decennia uitgebreid bestudeerd. Vanwege de unieke kenmerken van NP's zijn ze breed gebruikt voor hun potentieel als bactericide middelen met de capaciteit om traditionele antibiotica te vervangen. NP's interageren met bacteriële cellen, verstoren celmembraandoorlaatbaarheid en vernietigen sleutelmetabolische routes [72]. Het specifieke mechanisme van nanodeeltjes-giftigheid tegenover bacteriën moet worden verkend. Men gaat ervan uit dat NP's interageren met bacteriële cellen via electrostatische krachten, van der Waals-krachten of hydrofobe interacties die uiteindelijk leiden tot bacteriedood. Enzymen zijn gerapporteerd als hoofdvirulentiefactoren betrokken bij bacteriële infecties en het richten op hun activiteit helpt bij het aanpakken van de veroorzaakte infectie [73]. Hier werd een moleculaire dockingstudie van Cu:Ag-NP's tegen enzymdoelen van de celwand en vetzuursynthese-route uitgevoerd om het bindingsinteractiepatroon van deze NP's in de actieve bag te identificeren. Gezien het in vitro antibacteriële potentieel van deze NP's tegen A. baumannii, S. aureus en E. coli, werden de enzymdoelen geselecteerd uit deze micro-organismen om inzicht te krijgen in het mogelijke mechanisme achter hun bactericide activiteit.

De beste gedokte conformatie in het geval van Cu:Ag-bimetallische NP's met β-lactamase van A. baumannii onthulde waterstofbruginteracties met Glu272 (2,8 Å) en Ser286 (3,2 Å) samen met metaalcontactinteractie met Val292, terwijl de docking-score −4,013 kcal/mol was (Fig. 8a). Evenzo was de bindingscore van Ag–Cu-bimetallische NP's waargenomen tegen β-lactamase van S. aureus −4,981 kcal/mol met H-bruginteracties met Ser403 (3,2 Å), Tyr519 (3,6 Å), Gln521 (3,0 Å) en Asn464 (3,1 Å) zoals getoond in Fig. 8b.

Het tweede enzymdoelwit in de huidige studie, FabI, behoort tot de vetzuursynthese-route en moleculaire dockingvoorspellingen suggereerden Cu:Ag-bimetallische NP's als potentiële inhibitor tegen dit doelwit. De Cu:Ag-bimetallische NP's toonden een goede bindingscore (−3,385 kcal/mol) tegen FabI van A. baumannii met H-bruginteracties met Ser201 (2,7 Å), Ala199 (3,5 Å) en Leu198 (3,3 Å) zoals afgebeeld in Fig. 8c. Op dezelfde manier toonde de beste gedokte conformatie van Ag–Cu-NP's met de actieve plek van FabI van S. aureus H-bruginteracties met Gly202 (2,5 Å) en Gln155 (2,5 Å) met een bindingscore van −3,012 kcal/mol (Fig. 8d).

Daarnaast werd de bindingscapaciteit van Cu:Ag-bimetallische NP's tegen FabH van E. coli geëvalueerd en de waargenomen bindingscore was −4,372 kcal/mol met H-bruginteracties met Thr254 (3,5 Å), HIE244 (2,6 Å) en Glu302 (3,0 Å) zoals getoond in Fig. 8e.

Conclusie

Cu:Ag-bimetallische nanodeeltjes zijn bereid via de co-precipitatiemethode voor gebruik in toepassingen om bacterie-gerelateerde aandoeningen te bestrijden. XRD-profielen bevestigden de aanwezigheid van fcc-gestructureerde CuO en metaal-Cu en Ag-deeltjes. Zowel Ag- als Cu-pieken werden waargenomen, wat bimetallische NP's met Ag- en Cu-fasen betekent. Vlakken waargenomen in XRD-analyse komen goed overeen met SAED-ringen. Gehechte chemische groepen aan geformuleerde producten en karakteristieke transmissieband tussen 600 en 900 cm⁻¹ werd veroorzaakt door de vorming van Cu:Ag-bindingen. De geplotte spectra van UV-vis toonden absorptie op 410 nm die typisch ontstaat door de aanwezigheid van Ag-NP's, en de latere piek op 510 nm werd toegeschreven aan het bestaan van Cu-NP's. De deeltjes in HR-TEM-beelden bleken een kern-schilstructuur te hebben. Cu:Ag-NP's toonden duidelijk de vorming van bimetallische NP's met verschillende Cu:Ag-ratio's die irreguliere quasi-sferische NP's opleverden. Verder correspondeert d-afstand van Cu-NP's (0,21 nm) met het (111) facet van Cu gedetecteerd in XRD-resultaten. Een lichte toename in laagafstand (van 0,21 tot 0,22 nm) toont ook dat Ag-NP's met 0,24 nm laagafstand overeenkomen met het (111) vlak. De moleculaire dockingstudie toonde goede overeenstemming met in vitro bactericide activiteit. De bindingstendens van Cu:Ag-bimetallische NP's tegen het β-lactamase-enzym van de celwandsynthese-route samen met FabI- en FabH-enzymen van de vetzuursynthese-route demonstreerde hun inhibitiepotentie die verder verkend moet worden door enzyminhibitiestudies.

Beschikbaarheid van data en materialen

Alle data zijn volledig beschikbaar op verzoek.

Afkortingen

EDS:

Energiedispersieve röntgenspectroscopie

FTIR:

Fourier-transformatie infraroodspectroscopie

G + ve:

Gram-positief

G −ve:

Gram-negatief

HR-TEM:

Hoge-resolutie transmissie-elektronenmicroscopie

JCPDS:

Gezamenlijke commissie voor poederdiffractiestandaarden

Ag:

Zilver

UV–Vis:

Ultraviolet-zichtbare spectroscopie

XRD:

Röntgendiffractie