Nano bạc diệt khuẩn như thế nào?

Theo nhiều nghiên cứu khoa học, các hạt nano bạc (AgNPs) không chỉ trực tiếp tấn công mà còn giải phóng các ion Ag+ để tiêu diệt vi khuẩn, nấm.

Sự tương tác của ion Ag⁺ với vi khuẩn

Một trong các cơ chế diệt khuẩn được công nhận rộng rãi nhất của AgNPs là do sự giải phóng ion Ag⁺ từ AgNPs. AgNPs cũng như Ag là một kim loại quý, không phản ứng với nước, nhưng có thể hòa tan trong nước khi có mặt chất oxi hóa thông qua quá trình oxi hóa hòa tan. Chính vì vậy, quá trình oxi hóa hòa tan đóng vai trò rất quan trọng trong cơ chế diệt khuẩn của AgNPs.² Khi sử dụng các chất khử yếu, không thể khử hoàn toàn ion Ag⁺ trong dung dịch thành AgNPs, các ion này sẽ hấp phụ trên bề mặt AgNPs và giải phóng ra môi trường khi gặp điều kiện phù hợp.³

Ag+ sẽ tương tác, liên kết với các phân tử sinh học trong vi khuẩn để rồi phá hủy chúng. Ag⁺ có ái lực mạnh với các amines (là hợp chất hữu cơ chứa nguyên tử N trong nhóm chức), các nhóm phosphate (PO₄^3-), và nhóm thiols (-SH). Do đó Ag⁺ có thể bất hoạt các phân tử sinh học chứa các nhóm chức này khi tạo thành phức với chúng. Các phân tử sinh học là đối tượng của Ag⁺ bao gồm: DNA, peptides (trong màng tế bào và nội bào của vi khuẩn), các đồng yếu tố (enzyme sẽ không còn hoạt tính khi không có các đồng yếu tố). Vì vậy khi đi vào tế bào, Ag⁺ sẽ kết hợp với các phân tử sinh học chứa các nhóm chức có ái lực với nó, dẫn đến sự can thiệp đồng thời vào nhiều quá trình trao đổi chất của tế bào và cuối cùng dẫn đến cái chết của tế bào đó.³

Cụ thể hơn, Ag⁺ có thể liên kết và làm bất hoạt các enzyme và protein ở lớp màng ngoài (thành tế bào) của tế bào vi khuẩn, thay đổi cấu trúc và thành phần của lớp lipid ở màng sinh chất của vi khuẩn (lớp màng phía trong), làm thay đổi tính thấm và cuối dùng dẫn đến lớp màng này bị rách, thủng.⁴ Ag⁺ cũng có thể liên kết với một số cơ quan bào quan tham gia vào quá trình tổng hợp protein (VD: 30S ribosome), bất hoạt các bào quan này, làm xáo trộn quá trình sao chép, chuyển mã và dừng quá trình tổng hợp protein. Việc tổng hợp các tiền chất không hoàn thiện của protein trong quá trình hình thành lớp màng tế bào cuối cùng sẽ dẫn đến sự tiêu diệt những tế bào này.⁵ Ag⁺ còn có thể tạo phức với axit nucleic và phá vỡ liên kết hydro giữa hai chuỗi axit nucleic của phân tử DNA, khiến cho phân tử này chuyển từ trạng thái thông thường thành trạng thái co cụm, giảm khả năng nhân đôi.⁶ Do chứa liên kết S-S và liên kết S-H, các enzyme tham gia vào quá trình trao đổi chất và quá trình hô hấp cũng có khả năng bị ion Ag⁺ bất hoạt.⁷

Ag+ bất hoạt quá trình điều hòa tế bào. Các hoạt chất của oxi (ROS) là sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình trao đổi chất. Nồng độ ROS trong tế bào thường được giữ ổn định nhờ khả năng tự điều hòa. Nhưng lượng ROS tăng đột biến sẽ phá vỡ sự cân bằng này, gây ra các phản ứng oxi hóa trong tế bào.⁸ Ngoài khả năng kết hợp rồi gây biến tính, bất hoạt các enzym và protein nội bào, ion Ag⁺ còn làm tăng nồng độ ROS nội bào. Do ái lực với các nhóm thiol (S-H) và selenol (Se-H), ion Ag⁺ sẽ tương tác với các enzyme xúc tác quá trình khử, enzyme xúc tác quá trình phân hủy các chất oxi hóa,¹ hoặc làm suy giảm các   của các enzyme này, phá vỡ hệ thống điều hòa ROS, và làm tăng nồng độ ROS nội bào.³ ROS ở nồng độ cao sẽ oxi hóa các axit béo trong màng tế bào, tạo ra các gốc tự do khác có khả năng phá hủy màng tế bào,⁹ đồng thời oxi hóa DNA, thay đổi cấu trúc của các protein nội bào.¹⁰

Sự tương tác của AgNPs với vi khuẩn

Chính bản thân AgNPs cũng có tác động lên vi khuẩn. Từ những năm 2000, theo một số nhóm nghiên cứu,^11-14 AgNPs đã thâm nhập và tạo ra các hố có hình dạng bất thường trên màng tế bào của vi khuẩn. Cấu trúc này sẽ làm tăng tính thấm, khiến vi khuẩn mất khả năng vận chuyển các chất qua màng tế bào, và cuối cùng bị tiêu diệt. Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào trả lời câu hỏi các hố này được tạo ra như thế nào. Năm 2016, một nhóm nghiên cứu tại Mỹ và Ấn Độ đã đưa ra giả thuyết về sự xâm nhập của AgNPs vào lớp màng ngoài của tế bào vi khuẩn thông qua porin – một protein tham gia vào quá trình vận chuyển thụ động các phân tử ưa nước qua lớp màng này.¹⁵ Khi AgNPs mang điện tích dương, chúng sẽ bám trên lớp màng ngoài của vi khuẩn nhờ lực tương tác tĩnh điện với các nhóm chức mang điện tích âm trên lớp màng này, làm thay đổi cấu trúc màng tế bào.⁹

Không chỉ ion Ag+, chính AgNPs cũng có ảnh hưởng lên nồng độ ROS nội bào. Trong một nghiên cứu về tác động của AgNPs với vi khuẩn cố định đạm của nhóm tác giả tại Trung Quốc, khi đã loại trừ tác động của Ag⁺ (nồng độ Ag⁺ ở mức dưới 0,5%), nồng độ ROS nội bào của vi khuẩn cũng tăng.¹⁶ AgNPs được cho là có khả năng thúc đẩy quá trình sản xuất ROS của vi khuẩn,¹⁷ nguyên nhân chính dẫn đến sự phá hủy màng tế bào.¹⁸ Một nhóm tác giả khác cũng quan sát thấy ảnh hưởng của AgNPs đến nồng độ ROS nội bào của P.aeruginosa, mà không quan sát thấy sự thay đổi ROS nội bào ở vi khuẩn tiếp xúc với Ag⁺ (từ dung dịch AgNO₃) cùng nồng độ.¹⁹

Ngoài ra, việc AgNPs bám lên bề mặt tế bào vi khuẩn cũng ngăn cản sự bám dính của vi khuẩn với nhau hoặc bám dính trên bề mặt bất kỳ, bước đầu tiên trong quá trình hình thành bio-film – một lớp màng nhầy bao quanh một nhóm vi khuẩn khiến chúng kháng kháng sinh, kháng thể trong cơ thể người, thuốc tẩy…. Điều này rất có ý nghĩa trong việc tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh.⁹

Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng diệt khuẩn của AgNPs

Kích thước, hình dạng, nhóm chức bề mặt…là những yếu tố ảnh hưởng đến khả năng diệt khuẩn của AgNPs. Hạt càng nhỏ thì diện tích tiếp xúc càng lớn, làm tăng hiệu quả diệt khuẩn. Hình dạng của AgNPs cũng quan trọng khi xem xét ở khía cạnh diện tích tiếp xúc, các cấu trúc tinh thể với diện tích bề mặt lớn hơn sẽ có hoạt tính mạnh hơn. AgNPs dạng đĩa có tính kháng khuẩn mạnh hơn dạng que, và hình cầu là dạng AgNPs có ít mặt tinh thể nhất, tương ứng với hoạt tính thấp nhất.² Khả năng diệt khuẩn của AgNPs cũng bị ảnh hưởng khi khả năng giải phóng Ag⁺ bị tác động bởi các nhóm chức bề mặt. Trong nghiên cứu của Smetana,²⁰ khi bao bọc AgNPs bởi các chất bảo vệ, hiệu quả diệt khuẩn của nó đã giảm đi so với AgNPs không bọc. Điều này chứng tỏ cấu tử bao bọc AgNPs đã ngăn cản sự giải phóng ion Ag⁺ hoặc hạn chế sự bám dính lên bề mặt vi khuẩn của AgNPs, dẫn đến giảm khả năng diệt khuẩn. Ngoài ra, môi trường chứa các anion có thể tương tác với Ag⁺ tạo thành các chất kết tủa như S₂^–, Cl^–, PO₄^3- sẽ làm chậm hoặc ức chế hoàn toàn hoạt tính kháng khuẩn của AgNPs.³

 

Tài liệu tham khảo

1. Zhang, L.Wu, Y.Mi& Y.Si,  Silver Nanoparticles Induced Cell Apoptosis, Membrane Damage of Azotobacter vinelandii and Nitrosomonas europaea via Generation of Reactive Oxygen Species, Bulletin of Environmental Contamination and Toxicology ,103, pages181–186 (2019)
2. Zivic, F., Grujovic, N., Mitrovic, S., Ahad, I.U., Brabazon, D. (2018). Characteristics and Applications of Silver Nanoparticles. In: , et al. Commercialization of Nanotechnologies–A Case Study Approach. Springer, Cham
3. Le Ouay B, Stellacci F (2015) Antibacterial activity of silver nanoparticles: a surface science insight. Nano Today 10:339–354
4. Holt, K.B.; Bard, A.J. Interaction of silver(I) ions with the respiratory chain of Escherichia coli: An electrochemical and scanning electro-chemical microscopy study of the antimicrobial mechanism of micromolar Ag+. Biochemistry 2005, 44, 13214–13223.
5. Rai, M.K.; Deshmukh, S.D.; Ingle, A.P.; Gade, A.K. Silver nanoparticles: The powerful nanoweapon against multidrug-resistant bacteria. J. Appl. Microbiol. 2012, 112, 841–852
6. Morones, J.R.; Elechiguerra, J.L.; Camacho, A.; Holt, K.; Kouri, J.B.; Ramírez, J.T. The bactericidal effect of silver nanoparticles. Nanotechnology 2005, 16, 2346–2353
7. Cakic, M.; Glisic, S.; Nikolic, G. Synthesis, characterization and antimicrobial activity of dextran sulphate stabilized silver nanoparticles. J. Mol. Struct. 2016, 1110, 156–161
8. Marambio-Jones, C., Hoek, E.M.V. A review of the antibacterial effects of silver nanomaterials and potential implications for human health and the environment. J Nanopart Res 12, 1531–1551 (2010).
9. Mikhailova EO. Silver Nanoparticles: Mechanism of Action and Probable Bio-Application. J Funct Biomater. 2020 Nov 26;11(4):84.
10. M.J. Piao, K.A. Kang, I.K. Lee, H.S. Kim, S. Kim, J.Y. Choi, J.Choi, J.W. Hyun, Toxicol. Lett. 201 (2011) 92
11. I. Sondi, B. Salopek-Sondi, J. Colloid Interface Sci. 275 (2004) 177
12. W.-R. Li, X.-B. Xie, Q.-S. Shi, H.-Y. Zeng, Y.-S. OU-Yang, Y.-B. Chen, Appl. Microbiol. Biotechnol. 85 (2010) 1115.
13. P.K. Stoimenov, R.L. Klinger, G.L. Marchin, K.J. Klabunde, Langmuir 18 (2002) 6679.
14. N.A. Amro, L.P. Kotra, K. Wadu-Mesthrige, A. Bulychev, S. Mobashery, G. Liu, Langmuir 16 (2000) 2789 
15. Chauhan N., Tyagi A.K., Kumar P., Malik A. Antibacterial potential of Jatropha curcas synthesized silver nanoparticles against food borne pathogens. Front. Microbiol. 2016;7:1–13.

 

Ban Truyền thông  – Viện Nghiên cứu Công nghệ Plasma