Біоcинтез наночастинок селену при використанні бактерій: характеристика, властивості та механізми

Abstract

Для біосинтезу наночастинок селену (SeNPs) досліджені різні роди бактерій. До них відносяться представники родів Bacillus, Lysinibacillus, Paenibacillus, Halomonas, Lactobacillus, Pseudomonas, Acinetobacter, Staphylococcus, Stenotrophomonas, Streptomyces та інші. Більшість біосинтезованих SeNPs мають сферичну форму, а їх розміри варіюють у широких межах (2-700 нм) залежно від умов біосинтезу та штаму бактерій. Біосинтезовані SeNPs демонструють широкий спектр біологічної активності, що обумовлює потенціал їх застосування у різних сферах. Зокрема, вони виявляють виражену антимікробну дію проти ряду патогенних бактерій, включаючи Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Salmonella typhi, Pseudomonas aeruginosa, а також протигрибкову активність щодо Rhizoctonia solani, Candida albicans та Aspergillus spp. Крім того, SeNPs здатні пригнічувати утворення біоплівок патогенних мікроорганізмів. Також продемонстрована протипухлинна дія SeNPs in vitro на експериментальних моделях різних видів пухлин: раку молочної залози (MCF7), товстої кишки (HT-29), печінки (Hep-G2), нирок (CAKI-1). Серед інших біологічних ефектів варто зазначити здатність SeNPs стимулювати ріст рослин та інгібувати розвиток фітопатогенів, що відкриває перспективи для їх застосування в агробіотехнологіях. Механізми біосинтезу SeNPs за участі бактерій наразі залишаються недостатньо вивченими, проте на основі сучасних досліджень можна виділити кілька ключових етапів цього процесу. Основу становить біологічне відновлення селеніту або селенату до елементарного селену, що відбувається як внутрішньоклітинно, так і позаклітинно. У цьому процесі беруть участь різні ферменти та білки, зокрема оксидоредуктази, цитоплазматичні та мембранні білки, а також арсенатредуктаза, лігнінпероксидаза, NAD(P)-залежна алкогольдегідрогеназа, глутатіонредуктаза, тіоредоксинредуктаза. Стабільність біогенних SeNPs забезпечується за рахунок біомолекул із специфічними функціональними групами, наприклад, амінними, карбоксильними, гідроксильними, амідними. Крім того, важливу роль у стабілізації наночастинок відіграють бактеріальні білки, амінокислоти, полісахариди, ліпіди, які формують біологічну оболонку на поверхні SeNPs, запобігаючи їх агрегації й забезпечуючи колоїдну стабільність.Various bacterial genera have been investigated for the biosynthesis of selenium nanoparticles (SeNPs). These include representatives of the genera Bacillus, Lysinibacillus, Paenibacillus, Halomonas, Lactobacillus, Pseudomonas, Acinetobacter, Staphylococcus, Stenotrophomonas, Streptomyces, among others. Most biosynthesized SeNPs exhibit a spherical morphology, and their sizes vary widely (2—700 nm), depending on the specific biosynthesis conditions and the bacterial strain. Biosynthesized SeNPs display a broad spectrum of biological activities, which underpins their potential applications in diverse fields. In particular, they exhibit pronounced antimicrobial activity against a range of pathogenic bacteria, including Escherichia coli, Staphylococcus aureus, Bacillus subtilis, Salmonella typhi, Pseudomonas aeruginosa, as well as antifungal activity against Rhizoctonia solani, Candida albicans та Aspergillus spp. Antitumor activity of SeNPs has also been demonstrated in vitro using experimental models of various cancers, including breast cancer (MCF-7), colorectal cancer (HT-29), liver cancer (Hep-G2), and kidney cancer (CAKI-1). Among other biological effects, SeNPs have been reported to stimulate plant growth and suppress the development of phytopathogens, suggesting their potential applications in agrobiotechnology. The mechanisms underlying the bacterial biosynthesis of SeNPs remain insufficiently understood; however, current research has identified several key stages in this process. The core step involves the biological reduction of selenite or selenate to elemental selenium, a process that can occur both intracellularly and extracellularly. This transformation is mediated by various enzymes and proteins, including oxidoreductases, cytoplasmic and membrane-associated proteins. The stability of biogenic SeNPs is maintained by biomolecules bearing specific functional groups such as amino, carboxyl, hydroxyl, and amide groups. In addition, bacterial proteins, amino acids, polysaccharides, and lipids contribute to the stabilization of nanoparticles by forming a biological coating on the SeNP surface, preventing aggregation and ensuring colloidal stability.