Ils sont utilisés comme médicaments, comme vecteurs de médicaments et pour combattre les microbes dans les hôpitaux, détruire les agents pathogènes des plantes et réduire la quantité d'engrais traditionnels utilisés en agriculture :les nanoparticules prennent le pas sur la médecine et l'industrie agroalimentaire.
Les nanoparticules sont de minuscules structures mesurant jusqu'à 100 nanomètres. Ils se caractérisent par des propriétés physiques et chimiques et une activité biologique différentes de celles de leurs homologues matériels plus grands.
"Lorsque le matériau de départ à l'échelle microscopique avec une surface spécifique est décomposé en nanoparticules, c'est-à-dire en particules plus petites, sa surface augmente plusieurs fois. Et c'est le rapport surface/volume qui donne lieu aux propriétés uniques. de nanoparticules", explique le professeur Mahendra Rai de l'Université Sant Gadge Baba Amravati en Inde.
Les nanoparticules peuvent être principalement organiques ou inorganiques. Parmi les organiques, on distingue les liposomes, les micelles et les dendrimères.
"Les liposomes sont des vésicules constituées d'une bicouche phospholipidique avec un espace libre à l'intérieur, dans lesquelles vous pouvez mettre, par exemple, un médicament et le délivrer avec précision à l'endroit cible du corps car les liposomes se désintégreront dans l'environnement acide de la tumeur et libéreront le médicament qu'il contient", explique le prof. Patrycja Golinska du Département de microbiologie de la Faculté des sciences biologiques et vétérinaires NCU.
"Parmi les nanoparticules inorganiques, nous pouvons distinguer les nanoparticules de métaux tels que l'argent, l'or, le titane, le cuivre, les oxydes métalliques (par exemple l'oxyde de zinc) et les semi-métaux (métalloïdes) tels que la silice, le sélénium et l'aluminium. À l'Université Nicolas Copernic, nous concentré principalement sur les nanoparticules métalliques. Jusqu'à présent, nous avons principalement biosynthétisé des nanoparticules d'argent et d'or. Ces dernières années, nous avons également biosynthétisé des nanoparticules d'oxydes de zinc, de cuivre et de magnésium. "
Les nanoparticules peuvent être obtenues de différentes manières, mais ces dernières années, la synthèse dite verte (synthèse biologique ou biosynthèse) a suscité un intérêt croissant pour la nanotechnologie.
"C'est respectueux de l'environnement. En synthèse biologique, contrairement à la synthèse chimique ou physique, la production de nanoparticules n'utilise pas de composés toxiques et ne consomme pas de grandes quantités d'énergie", explique le professeur Rai.
De plus, après la production de nanoparticules par voie chimique ou physique, celles-ci doivent encore être stabilisées, c'est-à-dire « recouvertes » d'autres composés chimiques, qui sont généralement également toxiques. Le fait est que les nanoparticules ne s'agrègent pas, c'est-à-dire ne se combinent pas les unes avec les autres en structures de plus grandes tailles et ne perdent pas leur surface de réaction et donc leurs propriétés uniques.
Les biologistes de l'Université Nicolas Copernic de Toruń se sont intéressés à la biosynthèse, c'est-à-dire à la synthèse de nanoparticules par des micro-organismes tels que des champignons et des bactéries, ainsi que par des algues et des plantes. Lors de la visite du Professeur Rai en Pologne, les scientifiques se sont concentrés sur la mycosynthèse, c'est-à-dire la synthèse de nanoparticules à l'aide de champignons.
"Dans le cadre du projet mené par le professeur Rai à l'Université Nicolas Copernic, nous avons synthétisé des nanoparticules d'argent à l'aide de champignons, principalement du genre Fusarium, qui infectent les plantes, y compris les céréales, mais aussi d'autres genres comme Penicillium, qui se développent par exemple. sur les mandarines et les citrons", explique le prof. Golinska. "Dans une telle production, aucun composé toxique n'est utilisé et aucun déchet toxique n'est produit."
L'avantage des champignons par rapport aux autres micro-organismes dans la synthèse des nanoparticules est qu'ils produisent un grand nombre de métabolites divers, notamment de nombreuses protéines, notamment des enzymes, et nombre de ces substances peuvent être impliquées dans la réduction des ions argent en nanoargent.
Les nanotechnologies peuvent être utilisées dans les domaines les plus importants de la vie humaine :la médecine, l’agriculture, l’industrie de l’emballage et le stockage des aliments. Les nanoparticules sont très actives contre divers micro-organismes.
Ils combattent très bien les microbes pathogènes et inhibent leur propagation, ce qui peut être utilisé pour produire diverses surfaces et matériaux dans les hôpitaux, comme les masques dotés d'un filtre en nanoargent, créés pendant la pandémie de COVID-19. Ils sont efficaces contre les bactéries résistantes aux antibiotiques couramment utilisés. Les nanoparticules d'argent ont également des propriétés anticancéreuses.
"Les nanomatériaux sont intelligents, ils peuvent être administrés par exemple par voie intraveineuse, mais ils agissent sur le site cible, c'est-à-dire dans une tumeur cancéreuse, et non comme la chimiothérapie, qui se diffuse dans tout le corps en détruisant en même temps les cellules anormales et saines. ", explique le professeur Rai. Dans le cas des nanoparticules, on peut recourir à une thérapie ciblée, dans laquelle le médicament anticancéreux sera libéré uniquement au niveau du site de la tumeur. Les nanoparticules elles-mêmes peuvent être un médicament, mais aussi un vecteur de médicament.
En agriculture, la nanotechnologie est utilisée sous trois aspects. Le premier est la détection précoce des agents pathogènes des plantes avant l’apparition des premiers symptômes de maladies des plantes. Le nez électronique est une technologie que nous n'abordons pas pour le moment, mais grâce à l'utilisation de nanomatériaux tels que des nanofils ou des nanotiges d'oxyde de zinc dans cet appareil, il détecte les substances volatiles produites par des champignons pathogènes.
"D'autres types de nanobiocapteurs détectant l'ADN de pathogènes végétaux peuvent également être utilisés", explique le professeur Golinska. "Grâce à cela, des traitements agrotechniques appropriés peuvent être appliqués avant que nous voyions les symptômes d'infestation des plantes, par exemple décoloration, incrustations ou nécrose des limbes des feuilles."
Le deuxième aspect est l’utilisation d’une solution de nanoparticules pour lutter directement contre les pathogènes déjà développés sur les plantes. Ces nanoparticules agissent généralement à des concentrations bien inférieures à celles des fongicides chimiques, de sorte que leur concentration dans l'environnement est également bien inférieure à celle des fongicides couramment utilisés.
Le troisième domaine d’application des nanomatériaux en agriculture est l’apport de nutriments aux plantes. Comme en médecine, les nanomatériaux eux-mêmes peuvent être un nutriment ou un support contenant un nutriment pouvant être libéré de manière contrôlée. Lorsque les agriculteurs utilisent des engrais traditionnels, ils en délivrent dans les champs en peu de temps d'énormes quantités que les plantes ne peuvent pas utiliser et une grande partie pénètre profondément dans le sol jusqu'aux eaux souterraines et, par conséquent, aux réservoirs d'eau (eaux de surface). ).
Cela affecte négativement le milieu aquatique, conduisant à son eutrophisation. Une fertilisation excessive nuit également aux micro-organismes du sol et conduit à ce qu'on appelle. « Fatigue du sol », c'est-à-dire un déséquilibre constant dans la teneur en nutriments, qui affecte négativement la taille des cultures. Grâce à la nanoencapsulation, c'est-à-dire en plaçant des nanoparticules qui sont des nutriments pour les plantes dans des capsules ou des matrices, vous pouvez appliquer ces nutriments par application foliaire ou au sol.
"Le plus grand avantage de cette solution est la libération des nutriments de manière contrôlée, lente et constante. Il s'agit d'un élément de développement durable, extrêmement important de nos jours", explique le professeur Rai.
Le professeur Rai est venu en Pologne pendant deux ans grâce à une bourse qu'il a reçue de l'Agence nationale polonaise pour les échanges universitaires (NAWA). Dans le cadre du projet proposé, "Développement de nouveaux nanomatériaux respectueux de l'environnement et biologiquement actifs", en collaboration avec une équipe composée du Dr hab. Patrycja Golińska (prof. de NCU), Dr Magdalena Wypij et Ph.D. Joanna Trzcińska-Wencel, étudiante, s'est occupée de la production de nanocomposites à base de pullulane et de nanoparticules d'argent (AgNP) pour lutter contre divers micro-organismes.
"Le pullulan, un polymère naturel biodégradable, a été biosynthétisé à l'aide de champignons (Aureobasidium pullulans) et combiné à des nanoparticules d'argent produites par synthèse verte à l'aide de moisissures, dont j'ai parlé plus tôt", explique le professeur Golińska. "Nous avons créé des films, c'est-à-dire des films fins et flexibles, incrustés de nanoparticules d'argent. Nous avons testé ces films, par exemple, pour lutter contre les agents pathogènes responsables des infections des plaies ou ceux qui se développent dans les aliments, comme Listeria monocytogenes ou Salmonella sp., c'est-à-dire de facto pour prolonger la durée de conservation des aliments."
Le pullulane incorporé à des nanoparticules d'argent présente des propriétés bénéfiques et pourrait donc être utilisé, par exemple, dans la production d'emballages alimentaires ou de pansements qui accélèrent la cicatrisation des plaies, les protégeant ainsi du développement d'infections. "Lorsque nous avons des plaies plus étendues, par exemple des brûlures, elles sont fortement exposées au développement d'une infection", explique le professeur Golińska. "Sécuriser un tel endroit avec un polymère biodégradable contenant un agent inhibant le développement d'agents pathogènes accélérera considérablement la cicatrisation des plaies."
L'équipe a l'intention de breveter une méthode permettant d'obtenir des nanocomposites à base de pullulane et de libérer des nanoparticules du film.
Deux articles de recherche ont été publiés dans la revue Frontiers in Microbiology. lors de la visite du professeur, à savoir "Activités antimicrobiennes et antibiofilm du nanoargent biogénique et son potentiel d'application dans l'agriculture et l'industrie" et "Activité supérieure de cicatrisation in vivo du nanogel d'argent mycosynthétisé sur différents modèles de plaies chez le rat."
Deux autres, « Biofabrication de nouvelles nanoparticules d'oxyde d'argent et de zinc provenant de Fusarium solani IOR 825 et leur application potentielle en agriculture en tant qu'agents de biocontrôle des phytopathogènes et promoteurs de germination et de croissance des semis » et « Films à base de pullulane imprégnés de nanoparticules d'argent provenant de Fusarium culmorum. souche JTW1 pour des applications potentielles dans l'industrie alimentaire et la médecine" ont été publiées juste après le départ du professeur Rai de Pologne. Les articles ont été publiés dans Frontiers in Chemistry et Frontières de la bio-ingénierie et de la biotechnologie .
Plus d'informations : Joanna Trzcińska-Wencel et al, Activités antimicrobiennes et antibiofilms contenant des nanoargent biogéniques et leur potentiel d'application dans l'agriculture et l'industrie, Frontières de la microbiologie (2023). DOI :10.3389/fmicb.2023.1125685
Swapnil Gaikwad et al, Activité supérieure de cicatrisation in vivo du nanogel d'argent mycosynthétisé sur différents modèles de plaies chez le rat, Frontières de la microbiologie (2022). DOI :10.3389/fmicb.2022.881404
Joanna Trzcińska-Wencel et al, Biofabrication de nouvelles nanoparticules d'oxyde d'argent et de zinc à partir de Fusarium solani IOR 825 et leur application potentielle en agriculture en tant qu'agents de biocontrôle des phytopathogènes et promoteurs de la germination des graines et de la croissance des semis, Frontières de la chimie (2023). DOI :10.3389/fchem.2023.1235437
Magdalena Wypij et al, Films à base de pullulane imprégnés de nanoparticules d'argent provenant de la souche JTW1 de Fusarium culmorum pour des applications potentielles dans l'industrie alimentaire et la médecine, Frontiers in Bioengineering and Biotechnology (2023). DOI :10.3389/fbioe.2023.1241739
Informations sur le journal : Frontières de la microbiologie
Fourni par l'Université Nicolas Copernic
