Biosynthesis and characterization of selenium nanoparticles by Saccharomyces cerevisiae M437

Abstract

Biosynthesized selenium nanoparticles (SeNPs) hold significant promise for applications in the food industry due to their antimicrobial and antioxidant properties. The yeast strain Saccharomyces cerevisiae M437 was cultivated in yeast peptone dextrose medium. The SeNPs biosynthesis conditions included: Saccharomyces cerevisiae M437 biomass, 1 mM sodium selenite (Na₂SeO₃), 30°C, 250 rpm, for 7 days. Nanoparticle formation was assessed using light microscopy, UV-visible spectroscopy, and dynamic light scattering (DLS) analysis. A sodium selenite concentration of 1 mM was selected as optimal, as it ensured high bioreduction efficiency with minimal cytotoxic effects on Saccharomyces cerevisiae M437 cells. Throughout the 7-day biosynthesis process, a visible color shift of the biomass was observed from milky white to pink, and finally to deep red, serving as a visual indicator of intracellular SeNPs formation via the biological reduction of selenite ions to elemental selenium, one of the allotropes of which exhibits a red color. Light microscopy confirmed the presence of fine particulate inclusions both inside and outside the cells, indicating efficient nanoparticle formation. For more detailed characterization of SeNP morphology and internal structure, scanning transmission electron microscopy (STEM) are planned in future studies. UV-Vis spectral analysis of the biogenic SeNPs revealed a distinct absorption peak at 252 nm, associated with electronic transitions and surface plasmon resonance. DLS measurements showed an average hydrodynamic diameter of 179.3 nm. The zeta potential value of –16.2 mV suggests moderate colloidal stability, while the polydispersity index of 0.229 indicates a narrow size distribution and low tendency toward agglomeration. The organic capping layer, likely composed of biomolecules derived from yeast cells, contributes to the stability and bioactivity of the nanoparticles. The obtained results are consistent with literature reports on SeNPs synthesized by microorganisms and demonstrate the promise of this biotechnological approach. The intracellular biosynthesis of selenium nanoparticles by Saccharomyces cerevisiae M437 was confirmed. The core physicochemical properties of the synthesized nanoparticles were characterized, demonstrating their potential suitability for applications in the food industry.Біосинтезовані наночастинки селену (SeNP) є перспективними для застосування в харчовій промисловості завдяки своїм антимікробним та антиоксидантним властивостям. Штам дріжджів *Saccharomyces cerevisiae* M437 культивували на середовищі YPD (дріжджовий екстракт, пептон, декстроза). Умови біосинтезу SeNP включали: використання біомаси *Saccharomyces cerevisiae* M437, концентрацію селеніту натрію (Na₂SeO₃) 1 мМ, температуру 30°C, швидкість перемішування 250 об/хв та тривалість процесу 7 діб. Утворення наночастинок оцінювали за допомогою світлової мікроскопії, УФ-видимої спектроскопії та методу динамічного розсіювання світла (DLS). Концентрацію селеніту натрію 1 мМ було визначено як оптимальну, оскільки вона забезпечувала високу ефективність біовідновлення за мінімального цитотоксичного впливу на клітини *Saccharomyces cerevisiae* M437. Протягом 7-денного процесу біосинтезу спостерігалася зміна кольору біомаси: від молочно-білого до рожевого і, зрештою, до темно-червоного. Це слугувало візуальним індикатором внутрішньоклітинного утворення SeNP внаслідок біологічного відновлення іонів селеніту до елементарного селену, одна з алотропних форм якого має червоний колір. Світлова мікроскопія підтвердила наявність дрібнодисперсних включень як усередині клітин, так і поза ними, що свідчить про ефективне утворення наночастинок. Для детальнішої характеристики морфології та внутрішньої структури SeNP у подальших дослідженнях заплановано застосування сканувальної просвічувальної електронної мікроскопії (STEM). Спектральний аналіз біогенних SeNP у діапазоні УФ-видимого світла виявив чіткий пік поглинання при 252 нм, зумовлений електронними переходами та поверхневим плазмонним резонансом. Вимірювання методом DLS показали середній гідродинамічний діаметр 179,3 нм. Значення дзета-потенціалу –16,2 мВ свідчить про помірну колоїдну стабільність, тоді як індекс полідисперсності 0,229 вказує на вузький розподіл за розмірами та низьку схильність до агломерації. Органічний стабілізуючий шар, що, ймовірно, складається з біомолекул дріжджових клітин, сприяє стабільності та біоактивності наночастинок. Отримані результати узгоджуються з літературними даними щодо SeNP, синтезованих мікроорганізмами, і демонструють перспективність цього біотехнологічного підходу. Було підтверджено факт внутрішньоклітинного біосинтезу наночастинок селену штамом *Saccharomyces cerevisiae* M437. Охарактеризовано основні фізико-хімічні властивості синтезованих наночастинок, що демонструє їхній потенціал для застосування в харчовій промисловості.