Entwicklung von bimetallischen Cu:Ag-Nanopartikeln mit mehreren Konzentrationen als vielversprechendes Bakterizid für antibiotikaresistente Bakterien, wie in einer molekularen Docking-Studie evaluiert

Einführung

In der Erde und in ihrer Umgebung gibt es eine Vielzahl von Mikroorganismen, die aus Bakterien, Pilzen, Viren und Parasiten bestehen. Diese Arten verursachen Komplikationen bei der Herstellung und Verwendung von medizinischen Geräten, Gesundheitsprodukten, verarbeiteten Lebensmitteln, Wasseraufbereitungssystemen und Haushaltshygieneprodukten [1, 2]. Antibiotika werden routinemäßig von Ärzten eingesetzt, um Bakterien abzutöten, die bei Mensch und Tier Krankheiten verursachen. Der Nachteil der häufigen Verwendung von Antibiotika besteht darin, dass Bakterien mit der Zeit arzneimittelresistent werden. Antibiotika dienen auch dazu, die Zahl der im Körper vorhandenen „guten“ Bakterien zu reduzieren, die Infektionen bekämpfen. Krankheiten, die durch Infektionen durch antibiotikaresistente Bakterien verursacht werden, sind heute ein wichtiger Grund zur Besorgnis in der Medizin. Dabei wurden viele Keime als arzneimittelresistent identifiziert [3,4,5,6,7]. Es werden neue Anstrengungen unternommen, um das Problem der arzneimittelresistenten Bakterien anzugehen und die derzeitigen antimikrobiellen Wirkstoffe durch effizientere und komplementäre Therapien zu ersetzen. In dieser Hinsicht hat die Nanotechnologie einen wesentlichen Beitrag zur Herstellung von Nanomaterialien wie Metall- und Metalloxid-NPs (d. h. Ag, Cu, CuO, TiO₂ , SiO₂ , MgO und ZnO) zur Bekämpfung einer ständig wachsenden Zahl antimikrobiell resistenter Mikroorganismen. Unter diesen haben Cu- und Ag-NPs ermutigende antimikrobielle Eigenschaften gezeigt [8,9,10,11,12].

In den letzten Jahren wurden bimetallische NPs entwickelt und für verschiedene Anwendungen in den Bereichen Chemie, Materialwissenschaften, Biotechnologie und Umweltschutz eingesetzt. Bimetallische NPs, die Kupfer (Cu) und Silber (Ag) enthalten, mit einem hohen Anteil an Oberflächenatomen und einer großen spezifischen Oberfläche wurden umfassend untersucht [13]. Diese bimetallischen NPs sind aufgrund ihrer verbesserten chemischen, optischen, katalytischen, biologischen, plasmonischen und insbesondere antimikrobiellen Eigenschaften von großem Interesse [14,15,16,17,18,19,20]. Ag-Ionen können durch Ethanol unter atmosphärischen Bedingungen bei 800 bis 1000 °C reduziert werden, um Silber-NPs zu erhalten [21, 22]. Silber-NPs besitzen eine gute antimikrobielle Wirksamkeit und werden daher zur Herstellung von Sonnenschutzcremes und zur Wasseraufbereitung verwendet [23]. Cu-NPs werden durch Reduktion von Kupfersulfat mit Hydrazin in Ethylenglykol unter Mikrowellenbestrahlung hergestellt und können auch als antibakterielles Mittel verwendet werden [24,25,26].

Metalle wie Cu und Ag haben einzeln keine vielversprechenden optischen, katalytischen und strukturellen Eigenschaften und können nicht in Bimetalle umgewandelt werden. Andererseits bietet die Kombination beider Metalle (Cu:Ag) neue Möglichkeiten, die Struktur und Morphologie des resultierenden Produkts für gewünschte Anwendungen abzustimmen. Basierend auf ihrer endgültigen Struktur, z. B. Kern-Schale, Hantelstruktur, Zwei-Grenzflächen-Struktur, zufällig gemischte Struktur oder blütenförmige Struktur, können bimetallische NPs eine Reihe antimikrobieller Aktivität aufweisen [27,28,29,30 ,31]. Für die Synthese bimetallischer NPs stehen verschiedene Methoden zur Verfügung, einschließlich Co-Präzipitation, Sol-Gel-, Hydrothermal-, Reduktions-, Mikroemulsions- und Polyol-Methode [32,33,34,35,36,37].

In dieser Studie wurden bimetallische Cu:Ag-NPs durch Copräzipitation unter Verwendung von Ammoniumhydroxid und entionisiertem Wasser als Lösungsmittel, Polyvinylpyrrolidon als Verkappungsmittel und Natriumborhydrid und Ascorbinsäure als Reduktionsmittel synthetisiert. Es wurden vier Proben mit verschiedenen Konzentrationen hergestellt. Mit steigenden Ag-Konzentrationen in präparierten bimetallischen NPs zeigten die Proben eine verstärkte Aktivität gegen Bakterien acinetobacter baumannii das verursacht Fieber und Übelkeit. Das synthetisierte Material nahm während des schnellen Wachstums ein rotes Aussehen an, was darauf hindeutet, dass die antimikrobielle Aktivität mit steigenden Ag-Konzentrationen in bimetallischen NPs verstärkt wurde. Darüber hinaus wurden In-silico-Vorhersagen mit molekularen Docking-Studien durchgeführt, um das Wechselwirkungsmuster von Cu:Ag-bimetallischen NPs gegen β . zu identifizieren -Lactamase-Enzym des Zellwand-Biosynthesewegs neben FabI- und FabH-Enzymen des Fettsäure-Biosynthesewegs.

Methoden

Die aktuelle Studie zielte darauf ab, verschiedene Konzentrationen von Ag in bimetallischen Cu:Ag-Nanopartikeln auf hydrothermalem Weg zu synthetisieren, um die Wirksamkeit eines antibakteriellen Wirkstoffs gegen antibiotikaresistente Bakterien zu untersuchen.

Materialien

Kupfer(II)chlorid (CuCl_{2 0,2} H₂ O, 98,9 %) und Silbernitrat (AgNO₃ .) ) als Vorläufer, Polyvinylpyrrolidon (PVP, durchschnittliches Molekulargewicht von 40.000) als Verkappungsmittel, Natriumborhydrid (NaBH₄ , 99,9 %) und L-Ascorbinsäure (C₆ .) H₈ O₆ , 99,0 % als Reduktionsmittel und Ammoniumhydroxid (NH₄ .) OH) wurden in der vorliegenden Studie verwendet, nachdem sie von Sigma Aldrich, USA erworben wurden.

Synthese bimetallischer Cu:Ag-NPs

Bimetallische Cu:Ag-NPs wurden unter Verwendung der Copräzipitationsmethode hergestellt, wie in Abb. 1 dargestellt. In entionisiertem Wasser wurden 1,25 g PVP und 0,5 g Ascorbinsäure zugegeben und bei 100 °C kräftig gerührt. Zwei Lösungen von 40 ml Ammoniumhydroxid wurden einzeln hergestellt; in einer Lösung wurden 1,7 g Kupferchlorid und in der anderen Lösung 1,7 g Silbernitrat zugegeben. Diese beiden Lösungen werden dann nacheinander in die zunächst hergestellte Lösung unter Zugabe von 0,5 g NaBH₄ . gegossen . Anschließend wurde die endgültige Lösung 4 h bei 100 °C gerührt, um sie homogen zu machen, und später bei 6000 U/min zentrifugiert, um die NPs vollständig zu extrahieren. Die erhaltenen bimetallischen NPs wurden bei 100 °C getrocknet, um Feuchtigkeit und Verunreinigungen vollständig zu entfernen, um sicherzustellen, dass die hergestellten bimetallischen Produkte in reiner Form vorlag [12]. Auf ähnliche Weise wurden vier Proben mit verschiedenen Ag-Konzentrationen (Mol 2,5%, 5%, 7,5% und 10%) mit festen Cu-Verhältnissen hergestellt.

Abbildung zeigt die Synthese von Cu:Ag-bimetallischen NPs

Antimikrobielle Aktivität

Das bakterizide In-vitro-Potenzial von bimetallischen Cu:Ag-NPs wurde gegen pathogene Bakterien untersucht S. aureus, E. coli und A. baumannii Isolate, die aus Rindermastitismilch unter Verwendung der Brunnendiffusionsmethode gewonnen werden. Mannitol-Salz-Agar, MacConkey-Agar und Lauria Bertani-Agar wurden mit isolierten Bakterien, die das Wachstum aktivierten 1,5 × 10 ⁸ . abgetupft KBE/ml. Nach der Verfestigung des Mediums wurden fünf Vertiefungen mit einer gelben Pipette mit Abmessungen von 15 mm Durchmesser und zehn Mikroliter (5 µg/ml) hergestellt. Frisch präparierte bimetallische Cu:Ag-NPs wurden in Wells mit unterschiedlichen Verhältnissen im Vergleich zu zehn Mikroliter Amoxicillin (5 µg/ml) als Positivkontrolle und 50 µl DIW als Negativkontrolle geladen. Die bakterizide Aktivität synthetisierter bimetallischer Cu:Ag-NPs wurde durch Messung von Hemmzonen (in mm) bestimmt, die sich nach 15 h Inkubation bei 37 °C gebildet hatten.

Statistische Analyse

Die bakterizide Aktivität synthetisierter NPs mit Hemmzonenmessungen (mm) wurde unter Verwendung von SPSS 20.0, Einweg-Varianzanalyse (ANOVA) als statistisch signifikant angesehen [57].

Molekulare Docking-Studie

Antibiotika vermindern das Bakterienwachstum und verursachen den Tod von Bakterien durch Zellwandschädigung, Störung biochemischer Prozesse, Zellmembranschäden und Eindringen durch Biofilm [38]. In den letzten Jahrzehnten wurde über zahlreiche Nanopartikel mit potenzieller bakterizider Aktivität berichtet, die Bakterien entweder durch Zerstörung der Zellwand oder durch Blockieren der Nahrungsquelle durch einen ähnlichen Mechanismus wie bei bekannten Antibiotika abtöten [39,40,41]. Daher wird angenommen, dass Enzyme, die zu diesen biochemischen Stoffwechselwegen gehören, ein wichtiges und attraktives Ziel für die Entdeckung von Antibiotika sind [12]. Hier werden Schlüsselenzyme des Zellwandbiosynthesewegs (d. h. β -Lactamase) und der Fettsäurebiosyntheseweg (d. h. FabH und FabI) ​​wurden als mögliche Ziele ausgewählt, um den Mechanismus der Wechselwirkung von Cu:Ag-bimetallischen NPs mit ihrer aktiven Tasche als Inhibitoren zu untersuchen (siehe Abb. 2).

3D-Struktur von Protein-Targets β -Lactamase, FabI (aus A. bauminnii &S. aureus ) und FabH von E. coli

3D-Strukturparameter ausgewählter Enzyme wurden aus der Proteindatenbank mit dem PDB-Code abgerufen:4U0X (2.03 Å Auflösung) für β -Lactamase [42] und 6AH9; Auflösung 1,74 Å [43] für Enoyl-[Acyl-Carrier-Protein]-Reduktase (FabI) ​​aus A. bauminnii . Das β -Lactamase (3D-Struktur) mit PDB-ID:1MWU; Auflösung 2.6 Å [44] und FabI mit PDB-Code:4CV1; Auflösung 1,95 [45] von S. aureus während für FabH von E. coli hat PDB-Code:4Z8D; Auflösung 2.0 Å [46].

Eine molekulare Docking-Studie an bimetallischen Cu:Ag-NPs wurde mit der Software ICM Molsoft v3.8–4a oder höher (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) durchgeführt, um Bindungswechselwirkungen mit Schlüsselresten des aktiven Zentrums zu identifizieren [47]. Das Protein/Rezeptor-Präparationswerkzeug von ICM wurde zur Optimierung und Strukturpräparation ausgewählter Enzym-Targets verwendet. Die beteiligten Schritte waren das Hinzufügen von polaren H-Atomen, das Löschen von Wassermolekülen und die Energieminimierung unter Verwendung von Standardparametern. Das cokristallisierte Ligandenmolekül wurde entfernt, um Platz zum Andocken von NPs zu schaffen. Die Bindungstasche wurde unter Verwendung einer Gitterbox definiert, die die Position des kristallisierten Liganden angibt. Die Konformation mit der niedrigsten Bindungsenergie aus den Top 10 der angedockten Konformationen wurde jeweils ausgewählt, um das Wechselwirkungsmuster und die Bindungstendenz von Ag-Cu-bimetallischen NPs in der aktiven Tasche zu analysieren. Zur Analyse und 3D-Ansicht von Bindungsinteraktionen wurden Pymol und Discovery Studio Visualizer-Software verwendet [48]. Die Struktur der bimetallischen Cu:Ag-NPs wurde aus PubChem im.sdf-Format abgerufen.

Charakterisierung

Strukturanalyse und Phasenreinheit wurden durch die Verwendung von XRD (PAN analytisches X’pert pro XRD) mit Cu-Kα-Strahlung (λ = 0,154 nm, 20° bis 80°). Das Vorhandensein von Schwingungsmoden, die verschiedenen funktionellen Gruppen entsprechen, wurde unter Verwendung von Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-FTIR mit einem Perkin-Elmer-Spektrometer bewertet. Absorptionsspektren wurden mit einem UV-sichtbaren-Genesys 10S-Spektrophotometer aufgenommen. FESEM gekoppelt mit EDS-Spektrometer (JSM-6610LV) und HR-TEM (JEOL JEM 2100F) wurden verwendet, um Oberflächenmorphologien sichtbar zu machen. Für die molekulare Docking-Analyse wurde die Software ICM v3.8-4a oder höher (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) verwendet.

Ergebnisse und Diskussion

Eine XRD-Analyse wurde durchgeführt, um die Konstitution der Phasen und die Kristallstruktur der formulierten Produkte zu beurteilen. Abbildung 3a zeigt das zwischen 20° und 80° aufgetragene XRD-Muster. In bimetallischem Cu:Ag werden beobachtete Reflexe um ~ 38,2°, 46°, 64,4° und 77,1° den (111), (200), (220) und (311) Facetten der fcc Ag-Phase gemäß JCPDS No . zugeschrieben 04-0783 [32, 49,50,51,52]. Während im Fall von Cu Beugungen, die bei 32,6°, 44,2° und 51° auftraten, (110), (111) und (200) Gitterebenen bezeichneten, die das Vorhandensein von fcc-strukturiertem CuO bzw. metallischem Cu bestätigten, und gut abgestimmt mit JCPDS Nr. 04-0836 [32, 53,54,55,56]. Im extrahierten Muster wurden sowohl Ag- als auch Cu-Peaks beobachtet, was auf die Anwesenheit von NPs hindeutet, die sowohl die Ag- als auch die Cu-Phase bilden. Darüber hinaus zeigt die Existenz von CuO in Proben mit geringerem Ag-Gehalt (z. B. 1:0,025, 1:0,050 und 1:0,075), dass Cu-NPs oxidiert wurden und aufgrund der niedrigeren Ag-Konzentrationen bei hohen Temperaturen kein schützendes Verhalten zeigten [ 52]. Umgekehrt weist der CuO-Peak in der Probe mit dem höchsten Ag-Gehalt (1:0,1) eine geringe Intensität auf, was auf die Bildung eines teilweise oxidfreien Produkts hinweist [57]. Dies legt nahe, dass durch die Zugabe von Ag eine verbesserte Oxidationsbeständigkeit von bimetallischen NPs auftritt [52]. Innerhalb der Nachweisgrenzen des Instruments wurde kein zusätzlicher Verunreinigungspeak nachgewiesen, während jede kristallographische Ebene basierend auf der Atomdichte energetisch unterschiedliche Stellen umfasst. Sowohl Cu- als auch Ag-NPs haben Facetten mit hoher Atomdichte bei (111), die dazu dienten, die maximale Orientierung der Ebenen zu zeigen [51, 58]. Unter Verwendung des Bragg-Gesetzes wurde festgestellt, dass der d-Abstand von Ag und Cu 0,24 bzw. 0,21 nm beträgt, was einer unterschiedlichen Ebene (111) beider Elemente entspricht und mit den HR-TEM-Ergebnissen übereinstimmt (Abb. 6) [51, 59 ,60,61,62]. Entsprechende SAED-Ringe (Abb. 3b–d), die aus hergestellten bimetallischen Produkten erhalten wurden, zeigen deutliche Ringmuster, die gut kristallisierte Produkte zeigen und gut mit XRD-Mustern übereinstimmen.

a XRD-Profile von bimetallischen Cu:Ag-NPs, b –d SAED-Ringe erhalten mit HR-TEM für Proben b 1:0.025, c 1:0,050 und d 1:0,10, e FTIR-Spektren von vorbereiteten Proben

FTIR-Spektren wurden zwischen 500 und 4000 cm ⁻¹ . aufgenommen wie in Abb. 3e dargestellt; das übertragene Band liegt zwischen 600 und 900 cm ⁻¹ wird durch die Bildung von Cu:Ag-Bindungen verursacht [63]. Die beobachtete Bande um ~ 1200 und 1400 cm ⁻¹ wird C–O bzw. C–H zugeschrieben; Peaks bei ~ 1800 und 2100 cm ⁻¹ entspricht C=O- und N-H-Bindung aufgrund von PVP und NH₄ OH [64]. Beobachtete Transmissionen um ~ 2800 cm ⁻¹ und 3400 cm ⁻¹ werden der Anwesenheit von C≡N und Hydroxylgruppe (OH) zugeschrieben [64].

Abbildung 4a zeigt die Absorptionsspektren von bimetallischen Ag-Cu-NPs mit klaren Absorptionsbanden bei 340, 410 und 500 nm, die der plasmonischen Oberflächenresonanzabsorption von metallischem Ag und Cu zugeschrieben werden [52]. Die bei 410 nm erscheinende Bande entsteht typischerweise durch das Vorhandensein von Ag-NPs, und der letztere bei 510 nm positionierte Peak wird der Existenz von Cu-NPs zugeschrieben [52, 57, 58, 59, 65, 66, 67]. Es kann vermutet werden, dass bimetallische NPs mit unterschiedlichen Ag- und Cu-Phasen entwickelt werden, anstelle einer bimetallischen Entwicklung, die auch durch XRD-Ergebnisse bestätigt wurde, wie zuvor diskutiert [52]. Es wurde eine leichte Rotverschiebung der Absorptionsbande bei 410 nm und eine Zunahme der maximalen Absorption mit zunehmendem Ag-Gehalt beobachtet [58]. Mit der Tauc-Gleichung

$$[\alpha h\nu =K\left( {h\nu - Bsp.} \right)^{n} ]$$ (1)

wobei α gilt als Absorptionskoeffizient [2.303 log(T /d ), T ist Durchlicht und d zeigt Dicke der Probenküvette], h symbolisiert die Plancksche Konstante (6.62607015 × 10 ⁻³⁴ Js), \(\nu\) ist die Lichtfrequenz, K zeigt den Absorptionsindex und E _g gleich der Bandlückenenergie in eV ist. Der Wert von „n “ hängt mit dem elektronischen Übergangstyp der Bandlücke zusammen [13, 26, 68, 69]. Die Bandlücke der hergestellten bimetallischen Produkte wurde berechnet und betrug 3,2, 2,9, 2,7 und 2,6 eV, wie in Abb. 4b–e gezeigt.

UV-Vis-Spektren von bimetallischen b –e Tauc-Plot-Analyse

Aus REM-Bildern (Abb. 5a–d) von Cu:Ag-Bimetall-Nanokompositen im Synthesezustand wurde beobachtet, dass kleine Partikel auf der Oberfläche großer Partikel abgelagert wurden. Eine Erhöhung des Ag-Gehalts von 2,5 auf 7,5% führte zur Bildung verschiedener Partikel mit unterschiedlicher Morphologie, die schließlich in klumpigen Cu:Ag-NPs gipfelten. Außerdem wurde die Ansammlung von ungleichmäßigen und winzigen Ag-Partikeln mit zunehmender Dotierstoffkonzentration verstärkt, was das Auftreten von mehr verstreuten Blöcken auf seiner Oberfläche nahelegt. Dies zeigt den großen Einfluss der Ag-Dotierung in Cu auf die Morphologie, der mit HR-TEM-Aufnahmen weiter bestätigt wurde (siehe Abb. 5e–h).

a–d REM-Bilder von vorbereiteten Produkten, e–h HR-TEM-Aufnahmen

Um die Morphologie und den d-Abstand von präparierten Bimetallen weiter zu erarbeiten, wurde HR-TEM mit einer Auflösung von 10 nm eingesetzt. In Abb. 6a entspricht der d-Abstand (0,21 nm) von Cu-NPs der (111)-Facette von Cu, wie auch aus den XRD-Ergebnissen ersichtlich ist (Abb. 3a). Abbildung 6b zeigt eine leichte Zunahme des Schichtabstands (0,21 bis 0,22 nm) und zeigt Ag-NPs mit einem interplanaren Abstand von 0,24 nm, der mit der (111)-Ebene übereinstimmt. In ähnlicher Weise zeigen Fig. 6c, d berechnete Schichtabstände und separate Phasen von Bimetallen, während Fig. 6e die Partikelform von Ag- und Cu-NPs zeigt. Die Partikel in HR-TEM-Bildern weisen eine Kern-Schale-Struktur auf. In Abb. 6d wurden innerhalb eines einzelnen Partikels Gittersäume aufgezeichnet, die von Cu und Ag ausgingen. Dies deutet stark auf die Bildung von bimetallischen Kern-Schale-NPs mit unterschiedlichen Cu:Ag-Verhältnissen hin, die unregelmäßige quasisphärische NPs ergeben. Darüber hinaus zeigte das TEM-Bild, dass Partikel als dunkle und helle Region erscheinen. Diese Kontrastvariation innerhalb eines einzelnen Partikels kann auf das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Bestandteilsmaterialien hinweisen, was auf die Bildung bimetallischer Cu:Ag-Partikel hindeutet [70, 71].

a–d HR-TEM (10 nm)-Bilder zur Messung des d-Abstands für alle vorbereiteten Proben, e Bild mit geringer Vergrößerung, das bimetallische Partikel zeigt

Das Vorhandensein eines deutlichen Peaks im EDS-Spektrum und die elementare Zusammensetzung, die von Bimetallen stammt, bestätigten die erfolgreiche Bildung von Cu:Ag-NPs. Abbildung 7a stellt das EDS-Spektrum dar, das aus einer Probe von 1:0,050 erhalten wurde und klare Peaks von Cu und Ag zeigt. Abbildung 7b stammt aus einer Probe von 1:010, bei der Peaks für C und O in dotierten Proben nachgewiesen wurden. Diese treten auf, da Kohlenstofflaschen verwendet werden, um Proben während der SEM-Untersuchung zu halten, und/oder aufgrund von Hintergrundzählungen im SEM-EDS-Sensor.

EDS-Profile aus bimetallischen NPs

Die bakterizide In-vitro-Wirksamkeit von bimetallischen Cu:Ag-NPs unter Verwendung eines Agar-Well-Diffusionsassays ist in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse zeigen eine direkte proportionale Beziehung zwischen der synthetisierten NP-Konzentration und den Hemmzonen (mm). Statistisch signifikant (P < 0,05) Hemmzonen aufgezeichnet für (2,5, 5, 7,5 und 10 Gew.-%) Ag-Dotierungsmittel gegen S. aureus, E. coli und A. baumannii reichten von 0,85–2,8 mm, 0,55–1,95 mm bzw. 0,65–1,85 mm, siehe Tabelle 1. Alle Ergebnisse wurden mit DIW (0 mm) und Amoxicillin (4 mm) als Negativ- bzw. Positivkontrolle verglichen. In ähnlicher Weise stieg die prozentuale Wirksamkeit von dotierten NPs (21,2–70 %), (13,7–48,7 %) und (16,2–46,2 %) gegenüber S. aureus, E. coli und A. baumannii , bzw. Insgesamt erwiesen sich bimetallische Cu:Ag-NPs als potenter gegen S. aureus (d.h. Gramm + ive) im Vergleich zu E. coli und A. baumannii (d. h. Gramm −iv).

Größe, Konzentration und Form von NPs wirken sich direkt auf oxidativen Stress aus, der durch Nanostrukturen erzeugt wird. Die bakterizide Wirksamkeit in Form von Hemmzonen (mm) wurde aufgrund einer höheren Dotierung von Ag-dotierten bimetallischen Cu-NPs aufgrund der erhöhten Verfügbarkeit von Kationen (++) verbessert. Die bakterizide Wirkung bezüglich Größe und Konzentration zeigt ein inverses Verhältnis zur Größe [58, 59]. Nanogroße Strukturen produzieren effizient reaktive Sauerstoffspezies (ROS), die sich in bakteriellen Zellmembranen befinden, was zur Extrusion von Zellorganellen und schließlich zum Tod von Bakterien führt [60]. Neben der ROS-Produktion, kationische Wechselwirkung von Ag ⁺ und Cu ⁺⁺ mit negativ geladenen Teilen der Bakterienzellmembran führt bei steigenden Konzentrationen durch Zelllyse und Bakterienkollaps zu einer verbesserten bakteriziden Wirksamkeit [58, 61].

Biologische Anwendungen verschiedener Klassen von Nanopartikeln wurden seit den letzten Jahrzehnten intensiv untersucht. Aufgrund der einzigartigen Eigenschaften von NPs wurden sie aufgrund ihres Potenzials als bakterizides Mittel mit der Fähigkeit, herkömmliche Antibiotika zu ersetzen, weit verbreitet eingesetzt. NPs interagieren mit Bakterienzellen, stören die Zellmembranpermeation und zerstören wichtige Stoffwechselwege [72]. Der spezifische Mechanismus der Toxizität von Nanopartikeln gegenüber Bakterien muss erforscht werden. Es wird angenommen, dass NPs mit Bakterienzellen durch elektrostatische Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte oder hydrophobe Wechselwirkungen interagieren, die letztendlich zum Absterben von Bakterien führen. Es wurde berichtet, dass Enzyme als Hauptvirulenzfaktor an bakteriellen Infektionen beteiligt sind und auf sie abzielen, um ihre Aktivität zu hemmen, um die verursachte Infektion zu bekämpfen [73]. Hier identifizierte eine molekulare Docking-Studie von Cu:Ag-NPs gegen Enzymziele der Zellwand neben dem Fettsäurebiosyntheseweg das Bindungsinteraktionsmuster dieser NPs in der aktiven Tasche. Unter Berücksichtigung des antibakteriellen In-vitro-Potenzials dieser NPs gegen A. bauminnii , S. aureus und E. coli , wurden die Enzym-Targets aus diesen Mikroorganismen ausgewählt, um einen Einblick in den möglichen Mechanismus ihrer bakteriziden Aktivität zu erhalten.

Beste angedockte Konformation im Fall von Cu:Ag-bimetallischen NPs mit β -Lactamase aus A. bauminnii zeigten eine Wasserstoffbrücken-Wechselwirkung mit Glu272 (2,8 Å) und Ser286 (3,2 Å) zusammen mit einer Metallkontakt-Wechselwirkung mit Val292, während der Docking-Score − 4.013 kcal/mol betrug (Abb. 8a). In ähnlicher Weise wurde der Bindungsscore von Ag-Cu-dimetallischen NPs gegen β -Lactamase aus S. aureus war − 4,981 kcal/mol mit H-Brücken-Wechselwirkung mit Ser403 (3,2 Å), Tyr519 (3,6 Å), Gln521 (3,0 Å) und Asn464 (3,1 Å), wie in Abb. 8b gezeigt.

Bindungswechselwirkungsmuster von bimetallischen Ag-Cu-NPs in der aktiven Tasche. a β -Lactamase aus A. bauminnii , b β -Lactamase aus S. aureus . c , d Bindungswechselwirkungsmuster von Ag-Cu-bimetallischen NPs in der aktiven Tasche c Enoyl-[Acyl-Carrier-Protein]-Reduktase (FabI) ​​aus A. bauminnii , d Enoyl-[Acyl-Carrier-Protein]-Reduktase (FabI) ​​aus S. aureus , e Bindungswechselwirkungsmuster von Ag-Cu-bimetallischen NPs in der aktiven Tasche von FabH von E. coli

Das zweite Enzymziel, das in der aktuellen Studie FabI ausgewählt wurde, gehört zum Fettsäurebiosyntheseweg, und Vorhersagen zum molekularen Andocken legten bimetallische Cu:Ag-NPs als potenzielle Inhibitoren gegen dieses Ziel nahe. Die bimetallischen Cu:Ag-NPs zeigten einen guten Bindungswert (-3,385 kcal/mol) gegenüber FabI von A. bauminnii mit H-Brücken mit Ser201 (2,7 Å), Ala199 (3,5 Å) und Leu198 (3,3 Å), wie in Abb. 8c dargestellt. In ähnlicher Weise beste andockte Konformation von Ag-Cu-NPs mit dem aktiven Zentrum von FabI von S. aureus zeigte H-Brücken mit Gly202 (2,5 Å) und Gln155 (2,5 Å) mit einem Bindungsscore von − 3.012 kcal/mol (Abb. 8d).

Darüber hinaus ist die Bindungskapazität von Cu:Ag-bimetallischen NPs gegenüber FabH aus E.coli wurde ebenfalls bewertet und der beobachtete Bindungsscore betrug − 4,372 kcal/mol mit H-Brücken-Wechselwirkung mit Thr254 (3,5 Å), HIE244 (2,6 Å) und Glu302 (3,0 Å), wie in Abb. 8e gezeigt.

Schlussfolgerung

Bimetallische Cu:Ag-Nanopartikel wurden durch das Co-Präzipitationsverfahren zur Verwendung in Anwendungen zur Bekämpfung bakterienbedingter Erkrankungen hergestellt. XRD-Profile bestätigten das Vorhandensein von fcc-strukturiertem CuO und metallischen Cu- und Ag-Partikeln. Sowohl Ag- als auch Cu-Peaks wurden beobachtet, was auf bimetallische NPs mit Ag- und Cu-Phasen hinweist. In der XRD-Analyse beobachtete Ebenen entsprechen gut SAED-Ringen. Angehängte chemische Gruppen mit formulierten Produkten und charakteristischem Transmissionsband zwischen 600 und 900 cm ⁻¹ wurde durch die Bildung einer Cu:Ag-Bindung verursacht. Die aufgetragenen UV-Vis-Spektren zeigten eine Absorption bei 410 nm, die typischerweise auf das Vorhandensein von Ag-NPs zurückzuführen ist, und der letztere bei 510 nm positionierte Peak wurde der Existenz von Cu-NPs zugeschrieben. Die Partikel in HR-TEM-Bildern zeigten eine Kern-Schale-Struktur. Cu:Ag-NPs zeigten eindeutig die Bildung bimetallischer NPs mit unterschiedlichen Cu:Ag-Verhältnissen, die unregelmäßige quasisphärische NPs ergeben. Darüber hinaus entspricht der d-Abstand von Cu-NPs, d. h. 0,21 nm, der (111)-Facette von Cu, die in XRD-Ergebnissen nachgewiesen wurde. Eine leichte Zunahme des Schichtabstands (von 0,21 auf 0,22 nm) zeigt auch, dass Ag-NPs mit einem Schichtabstand von 0,24 nm mit der (111)-Ebene übereinstimmten. Die molekulare Docking-Studie zeigte eine gute Übereinstimmung mit der bakteriziden In-vitro-Aktivität. Die Bindungstendenz von Cu:Ag-bimetallischen NPs gegenüber β -Lactamase-Enzym des Zellwand-Biosynthesewegs zusammen mit FabI- und FabH-Enzymen des Fettsäure-Biosynthesewegs zeigten ihr Hemmpotenzial, das durch Enzymhemmungsstudien weiter erforscht werden muss.

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten sind auf Abruf vollständig verfügbar.

Abkürzungen

EDS:

Energiedispersive Röntgenspektroskopie

FTIR:

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie

G + ve:

Gram-positiv

G −ve:

Gram negativ

HR-TEM:

Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie

JCPDS:

Gemeinsamer Ausschuss für Pulverbeugungsstandards

AG:

Silber

UV–Vis:

Ultraviolett-Spektroskopie im sichtbaren Bereich

XRD:

Röntgenbeugung