Совместное действие металлических и ферментных наночастиц, используемых для функционализации защитных самоочищающихся материалов, нейтрализующих фосфорорганические соединения и обладающих бактерицидной активностью

Комбинированние нескольких модулей, включающих в свой состав наночастицы металлов (тантала или цинка), антимикробные вещества, ферментные нанокомплексы, обеспечивающие самоочищение (самодегазацию)и осуществляющие множественную функционализацию, позволяет создать материалы, обеспечивающие защиту от химических и биологических поражающих агентов. Цель работы – изучение комбинированного действия наночастиц металлов, других биоцидных соединений и наноразмерных ферментных комплексов гексидинсодержащей органофосфатгидролазы и пенициллинацилазы, нанесенных на тканевые унифицированныеплатформы, на фосфорорганические соединения и бактерицидную активность. Материалы и методы исследования. Защитный самоочищающийся материал создавали на основе принципа построения модульных материалов с заданными свойствами. Наноразмерные металлические комплексы и ферментные нековалентные полиэлектролитные комплексы с полиглутаминовой кислотой или антимикробными пептидами наносили натканевую унифицированную платформу в определенной последовательности и определенном количестве, иизучали ее антитоксические и антимикробные свойства. Обсуждение результатов. При одновременном действии нескольких модулей, при соблюдении определенных требования нанесения количества и последовательности, сохраняются свойства модулей, которые не нейтрализуют и не выводят из рабочего состояния специфические свойства модулей и не мешают другим модулям осуществлять свои функции. Лучшие результаты таких материалов могут быть получены при комбинировании наночастиц биологически инертного Та и стабилизированного фермента в полиэлектролитном комплексе. Для приобретения антимикробных свойств волокнистые материалы могут быть функционализированы не только комбинацией наночастиц металлов сферментными препаратами, но и комбинацией низкомолекулярных антибиотиков с ферментами. Выводы. Проведенные исследования продемонстрировали возможность комбинирования модулей, содержащих карбоксилаты металлов, наночастицы металлов и ферментные нанокомплексы для множественной функционализации одних и тех же волокнистых материалов, которые приобретали биоцидные и противохимические защитные свойства. Получены новые самодегазирующиеся материалы, обладающие защитными химико-биологическими свойствами и высокой стабильностью в отношении проявляемой каталитической активности по отношению к основным субстратам введенных ферментов и бактерицидностью. Использование таких подходов позволяет придать защитные свойства практически любой ткани или одежде, изготовленной из нее, на которые будут нанесены изученные модули, которые обеспечат требуемый уровень защиты личного состава, обладающих изнуряющим и сковывающим действием.

1. Завьялов В.В., Кужелко С.В., Завьялова Н.В. и др. Современные направления создания новых защитных материалов и тканей для индивидуальной и коллективной защиты от токсичных химика- тов и клеток патогенов // Вестник войск РХБ защиты. 2019. Т. 3. № 3. С. 217–254. EDN: DEOJVF. https://doi.org/10.358.25/2587-5728-2019-3-3-217-254

2. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Стратегия разработки современных средств защиты на основе металлорганических комплексов с заданными свойствами // Вестник войск РХБ защиты. 2020. Т. 4. № 3. С. 305–337. EDN: UJYEYL. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2020-4-3-305-327

3. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Использование модульности как принципа построения материалов на основе металлоорганических каркасных структур с заданными свойствами для создания современных средств защиты // Вестник войск РХБ защиты. 2021. Т. 5. № 2. С. 165–172. EDN: MVUOJD. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2021-5-2-165-172

4. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Бактерицидные свойства модульных защитных материалов // Вестник войск РХБ защиты. 2022. Т. 6. № 2. С. 123–136. EDN: OMBIWN. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2022-6-2-113-126

5. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Противохимические свойства модульных защитных материалов // Вестник войск РХБ защиты. 2022. Т. 6. № 1. С. 12–27. EDN: RGJUUV. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2021-6-1-12-27

6. Leont’ev V.K., Pogorelski I.P., Frolov G.A. et al. Antibacterial properties aqueous colloid solutions of metal and metal oxide nanoparticles against dental plaque bacteria // Nanotechnol. Russia. 2018. V. 13. P. 195–198. https://doi.org/10.1134/S1995078018020040

7. Gunalan S., Sivaraj R. Green synthesized ZnO nanoparticles against bacterial and fungal pathogens // Prog. Nat. Sci. Mater. Int, 2012. V. 22. P. 693–700. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2012.11.015

8. Deryabina D.G., Efremova L.V., Karimov I.F. et al. Comparative sensitivity of the luminescent Photobacterium phosphoreum, Escherichia coli, and Bacillus subtilis strains to toxic effect of carbon-based nanomaterials and metal nanoparticles // Microbiology. 2016. V. 85. P. 198–206.

9. Vidovic S. Elder J., Medihala P. et al. ZnO nanoparticles impose a panmetabolic toxic effect along with strong necrosis, inducing activation of the envelope stress response in Salmonella enterica serovar enteritidis // Antimicrob. Agents Chemother. 2015. V. 59. № 6. P. 3317–3338. https://doi.org/10.1128/AAC.00363-15

10. Azam A., Ahmed A. S., Oves M. et al. Antimicrobial activity of metal oxide nanoparticles against Grampositive and Gram-negative bacteria: a comparative study // Int. J. Nanomedicine. 2012. V. 7. P. 6003–6009. https://doi.org/10.2147/IJN.S35347

11. Khashan K.S., Sulaiman G.M., Abdulameer F.A. Antibacterial activity of TiO2 nanoparticles prepared by one-step laser ablation in liquid // Applied Sciences. 2021. V. 11. P. 4623. https://doi.org/10.3390/app11104623

12. Guo B.L., Han P., Guo L.C. et al. The antibacterial activity of Ta-doped ZnO nanoparticles // Nanoscale Res. Lett. 2015. V. 10. P. e336. https://doi.org/ 10.1186/s1167-015-1047-4

13. Ansari S.A., Oves M., Satar R. et al. Antibacterial activity of iron oxide nanoparticles synthesized by coprecipitation technology against Bacillus cereus and Klebsiella pneumonia // Pol. J. Chem. Technol. 2017. V. 19. № 4. P. 110–115. https://doi.org/10.1016/J.BCAB.2018.11.005

14. Akbar A., Sadiqi M.B., Ali I. et al. Synthesis and antimicrobial activity of zinc oxide nanoparticles against foodborne pathogens Salmonella typhimurium and Staphylococcus aureus // Biocatal. Agric. Biotechnol. 2019. V. 17. P. 36–42. https://doi.org/10.1016/J.bio.ag.bi.2019-17-36-42

15. Hayden S.C., Zhao G., Saha K. et al. Aggregation and interaction of cationic nanoparticles on bacterial surfaces // J. Am. Chem. Soc. 2012. V. 134. P. 6920–6923. https://doi.org/10.1021/ja301167y

16. Kumar R., Umar G., Nalva H.S. Antimicrobial properties of ZnO nanomaterials: A review // Ceram. Int. 2017. V. 43. № 5. P. 3940–3961. https://doi.org/10.1016/CERAMINT.2016.12.062

17. Allzahrani K.E., Niazy A.A., Alswieleh A.M. Antibacterial activity of trimental (CuZnFe) oxide nanoparticles // Int. J. Nanomedicine. 2018. V. 13. P. 77–87. https://doi.org/10.2147/IJN.S154218

18. Heng B.C., Zhao X., Xiong S. et al. Toxicity of zinc oxide (ZnO) nanoparticles on human bronchial epithelial ccels (BEAS-2B) is accentuated by oxidative stress // Food Chem. Toxicol. 2010. V. 48. P. 1762–1766. https://doi.org/10.1016/j.fct.2010.04.023

19. Díez-Pascual, A.M. Recent progress in antimicrobial nanomaterials // Nanomaterials. 2020. V. 10. P. 2315. https://doi.org/10.3390/nano10112315

20. Леонтьев В.К., Кузнецов Д.В., Фролов Г.А., и др. Антибактериальные эффекты наночастиц металлов // Российский стоматологический журнал. 2017. Т. 21. № 6. С. 304–307. https://doi.org/10.18821/1728-2802-2017-21-6-304-307

21. Lyagin I., Stepanov N., Frolov G., Efremenko E. Combined modification of fiber materials by enzymes and metal nanoparticles for chemical and biological protection // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 1359. https://doi.org/10.3390/ijms23031359

22. Efremenko E.N., Lyagin I.V., Klyachko N.L. et al. A simple and highly effective catalytic nanozyme scavenger for organophosphorus neurotoxins // J. Control. Release. 2017. V. 247. P. 175–181. https://doi.org./10.1016/j.jconrel.2016.12.037

23. Lyagin I.V., Efremenko E.N. Biomolecular engineering of biocatalysts hydrolyzing neurotoxic organophosphates // Biochimie. 2018. V. 144. P. 115–121. https://doi.org/10.1016/j.biochi.2017.10.023

24. Frolov G., Lyagin I., Senko O., et al. Metal nanoparticles for improving bactericide functionality of usual fibers // Nanomaterials. 2020. V. 10. № 9. P. 1724. https://doi.org/10.3390/nano10091724

25. Efremenko E., Lyagin I., Aslanli A. et al. Carrier variety used in immobilization of His6 -OPH extends its application areas // Polymers. 2023. V. 15. P. 591. https://doi.org/10.3390/polym15030591

26. Завьялов В.В., Завьялова Н.В., Холстов В.И. и др. Модульные защитные материалы, нейтрализующие токсины // Вестник войск РХБ защиты. 2022. Т. 6. № 3. С. 229–242. EDN: HQPBUU. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2022-6-3-229-242 (in Russian).

27. Aslanli A., Lyagin I., Efremenko E. et al. Bacterial cellulose containing combinations of antimicrobial peptides with various QQ enzymes as a prototype of an « Enhanced Antibacterial» dressing: in silico and in vitro // Pharmaceutics. 2020. V. 12. № 12. P. e1155. https://doi.org/10.3390/12121155

28. Aslanli A., Lyagin I., Efremenko E. Novel approach to Quorum Quenching rational desing of antibacterials in combination with hexаhistidine-tagged organophosphorus hydrolase // Biol. Chem. 2018. V. 399. № 8. P. 869–879. https://doi.org/10.1515/hsz-2018-0162

29. Aslanli A., Lyagin I., Efremenko E. Charges’ interaction in polyelectrolyte (nano)complexing of His6 - OPH with peptides: unpredictable results due to imperfect or useless concept // Int. J. Biol. Macromol. 2019. V. 140. P. 368–376. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.08.137

30. Ефременко Е.Н., Лягин И.В. Современные биокатализаторы на основе гексагистидинсодержащей фосфорорганической гидролазы для химической и биологической защиты // Вестник войск РХБ защиты. 2019. Т. 3. № 2. С. 111–116. EDN: LIWCHM. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2019-3-2-111-116

31. Ефременко Е.Н., Завьялов В.В., Завьялова Н.В. и др. Фильтрующе-сорбирующий самодегазирующийся материал для средств индивидуальной защиты от воздействия фосфорорганических соединений. RU2330717 (10.08.2008)

32. Фосфорорганические нейротоксины / Под ред. Варфоломеева С.Д., Ефременко Е.Н. РИОР: М. 2020. 380 с. https://doi.org/10.29039/02026-5

33. Lyagin I., Efremenko E. Enzymes, reacting with organophosphorus compounds as detoxifiers: diversity and functions // Int. J. Mol. Sci. 2021. V. 22. P. 176. https://doi.org/10.3390/ijms.2204761

34. Lyagin I., Stepanov N., Maslova O. et al. Not a mistake but a feature: promiscuous activity of enzymes meeting mycotoxins // Catalysts. 2022. V. 12. P.m1095. https://doi.org/10.3390/catal12101095

35. Stepanov N., Senko O., Perminova I., Efremenko E. A new approach to assess the effect of various humic compounds on the metabolic activity of cells participating in methanogenesis // Sustainability. 2019. V. 11. P. 3158. https://doi.org/10.3390/su11113158

36. Ma J., Liu J., Zhang Y. et al. Bacitracin resistance and enhanced virulence of Streptococcus suis via a novel efflux pump // BMC Vet. Res. 2019. V. 15. e377. https://doi.org/10.1186/s12917-019-2115-2

37. Aslanli A., Domnin M., Stepanov N., Efremenko E. “Universal” antimicrobial combination of bacitracin and His6 -OPH with lactonase activity, acting against various bacterial and yeast cells // Int. J. Mol. Sci. 2022. V. 23. P. 9400. https://doi.org/10.3390/ijms23169400