Effect of temperature on copper nanoparticle biosynthesis using cell-free extract of Saccharomyces cerevisiae M437

Abstract

Copper nanoparticles exhibit antimicrobial, antioxidant, and catalytic activities, which make them attractive for potential applications in the food industry. Therefore, the aim of this study was to evaluate the feasibility of copper nanoparticle biosynthesis using a cell-free aqueous yeast extract. The biomass of Saccharomyces cerevisiae M437 was produced by batch cultivation in yeast extract-peptone-dextrose (YPD) medium and subsequently used for the preparation of a cell-free aqueous yeast extract employed in the biosynthesis of copper nanoparticles (CuNPs). Anhydrous copper sulfate was used as the copper precursor, and CuNPs were synthesized at different temperatures (30, 35, 40, 45, and 50°C). Nanoparticle formation and characterization were assessed by UV–visible spectrophotometry and dynamic light scattering (DLS). UV-visible spectral analysis confirmed the formation of copper nanoparticles in the studied samples. A pronounced absorption peak of CuNPs synthesized using the cell-free aqueous extract of S. cerevisiae M437 was observed within the wavelength range of 230-300 nm, with a maximum at 260 nm. Increasing the copper sulfate concentration from 1 to 3 mM did not result in significant changes in the absorbance intensity of the biosynthesized copper nanoparticle suspensions. Temperature was found to have a substantial effect on the size of the synthesized CuNPs. An increase in biosynthesis temperature resulted in an increase in nanoparticle size. After 24 h of biosynthesis, the average hydrodynamic diameter of the copper nanoparticles was 129.6 nm at 30°C, 131.0 nm at 35°C, 134.2 nm at 40°C, 194.2 nm at 45°C, and 200.3 nm at 50°C. After 72 h of biosynthesis, nanoparticle size further increased: by 45.8% at 30°C, 55.3% at 35°C, 66.6% at 40°C, 28.1% at 45°C, and 25.1% at 50°C. For all investigated samples, the polydispersity index ranged from 0.17 to 0.26, indicating the formation of relatively homogeneous nanodispersed systems. Moreover, increases in temperature and biosynthesis duration were not accompanied by increases in the polydispersity index, suggesting that controlled nanoparticle growth rather than aggregation was the dominant process. Zeta potential measurements showed that all synthesized nanoparticles possessed a negative surface charge ranging from –9.25 to –12.4 mV. No significant effect of temperature on zeta potential was observed, indicating a similar surface coating of nanoparticles by yeast extract-derived biomolecules regardless of biosynthesis conditions. It is confirmed the potential of yeast-based systems for the production of copper nanoparticles and provide a foundation for further investigations of their biological properties and practical applications.Наночастинки міді виявляють антимікробну, антиоксидантну та каталітичну активність, що робить їх перспективними для застосування в харчовій промисловості. Тому метою цього дослідження було оцінити можливість біосинтезу наночастинок міді з використанням безклітинного водного екстракту дріжджів. Біомасу *Saccharomyces cerevisiae* M437 отримували шляхом періодичного культивування в середовищі YPD (дріжджовий екстракт — пептон — декстроза), після чого її використовували для приготування безклітинного водного екстракту дріжджів, необхідного для біосинтезу наночастинок міді (CuNP). Як прекурсор міді використовували безводний сульфат міді, а синтез CuNP проводили за різних температур (30, 35, 40, 45 та 50 °C). Утворення та характеристики наночастинок оцінювали методами УФ-видимої спектрофотометрії та динамічного розсіювання світла (DLS). Спектральний аналіз у діапазоні УФ-видимого випромінювання підтвердив утворення наночастинок міді в досліджуваних зразках. Виражений пік поглинання CuNP, синтезованих із використанням безклітинного водного екстракту *S. cerevisiae* M437, спостерігався в діапазоні довжин хвиль 230–300 нм із максимумом при 260 нм. Підвищення концентрації сульфату міді від 1 до 3 мМ не призвело до суттєвих змін інтенсивності поглинання суспензій біосинтезованих наночастинок міді. Встановлено, що температура суттєво впливає на розмір синтезованих CuNP. Підвищення температури біосинтезу призводило до збільшення розміру наночастинок. Через 24 години біосинтезу середній гідродинамічний діаметр наночастинок міді становив 129,6 нм при 30 °C, 131,0 нм при 35 °C, 134,2 нм при 40 °C, 194,2 нм при 45 °C та 200,3 нм при 50 °C. Після 72 годин біосинтезу розмір наночастинок додатково збільшився: на 45,8 % при 30 °C, 55,3 % при 35 °C, 66,6 % при 40 °C, 28,1 % при 45 °C та 25,1 % при 50 °C. Для всіх досліджених зразків індекс полідисперсності варіював у межах від 0,17 до 0,26, що свідчить про утворення відносно однорідних нанодисперсних систем. Крім того, підвищення температури та збільшення тривалості біосинтезу не супроводжувалися зростанням індексу полідисперсності; це вказує на те, що переважаючим процесом був контрольований ріст наночастинок, а не їхня агрегація. Вимірювання дзета-потенціалу показали, що всі синтезовані наночастинки мали від’ємний поверхневий заряд у діапазоні від –9,25 до –12,4 мВ. Істотного впливу температури на величину дзета-потенціалу не виявлено, що свідчить про подібний характер покриття поверхні наночастинок біомолекулами дріжджового екстракту незалежно від умов біосинтезу. Підтверджено перспективність використання систем на основі дріжджів для отримання наночастинок міді та закладено підґрунтя для подальшого дослідження їхніх біологічних властивостей і можливостей практичного застосування.