Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Síntesis de nanopartículas metálicas mediada por organismos fúngicos : caracterización e impacto en modelos biológicos |
| Título alternativo: | Synthesis of metal nanoparticles mediated by fungal organisms : characterization and impact on biological models |
| Autor: | Kobashigawa, Jesica María |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Fecha de defensa: | 2024-11-13 |
| Fecha en portada: | 2024 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias Biológicas |
| Departamento Docente: | Departamento de Biodiversidad y Biología Experimental |
| Director: | Carmarán, Cecilia Cristina |
| Director Asistente: | Scaffardi, Lucía Beatriz |
| Consejero: | Novas, María Victoria |
| Jurado: | Goyanes, Silvia Nair; Taylor, Marcela Andrea; Chulze de Gómez, Sofía Noemí |
| Idioma: | Español |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7646_Kobashigawa |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n7646_Kobashigawa.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n7646_Kobashigawa |
| Ubicación: | BIO 007646 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Kobashigawa, Jesica María. (2024). Síntesis de nanopartículas metálicas mediada por organismos fúngicos : caracterización e impacto en modelos biológicos. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7646_Kobashigawa |
Resumen:
La nanotecnología es un campo de la tecnología que involucra la síntesis, caracterización, manipulación y aplicación de estructuras en la nanoescala. Nanopartículas (NPs) de metales nobles tales como oro y plata muestran propiedades ópticas, eléctricas, mecánicas, magnéticas y químicas únicas, y muy diferentes a aquéllas encontradas en los mismos materiales a escala macroscópica. Los métodos más comunes de producción de NPs metálicas, de bajo costo y volúmenes importantes, utilizan solventes tóxicos que presentan serios problemas de contaminación asociados a su impacto a nivel ambiental. Por lo tanto, es necesario el desarrollo de nuevas tecnologías alternativas que permitan hacer frente a las demandas cada vez más importantes de NPs para las diferentes aplicaciones en diversas disciplinas. Bajo esta premisa, la producción biológica de NPs metálicas emerge como una opción interesante. El uso de organismos fúngicos en la producción de NPs recibe una creciente atención debido a que ofrecen importantes ventajas frente al uso de otros organismos, entre ellas, su fácil cultivo en condiciones controladas que puede ser escalado generalmente con procesos económicamente viables, y su capacidad como productores de compuestos extracelulares. En este marco se presentan como desafíos emergentes la identificación de nuevos y mejores organismos como mediadores en la obtención de NPs y la caracterización de las condiciones de síntesis capaces de modular la forma y tamaño de las NPs obtenidas de manera ambientalmente amigable. Asimismo, el aumento en el uso de este tipo de tecnologías trae aparejado un problema ambiental, como es introducir en los ecosistemas una cantidad masiva de materiales que podrían afectar a los organismos e impactar de maneras desconocidas en la cadena trófica. Existen cada vez más estudios en esta temática, sin embargo, se halla en debate el nivel de toxicidad de estos materiales encontrándose incluso resultados contradictorios y un amplio camino por recorrer. En este contexto, los objetivos de este trabajo fueron: 1-Seleccionar organismos de interés como mediadores de la síntesis de NPs metálicas. 2- Evaluar la capacidad de diferentes cepas fúngicas como mediadoras de la síntesis de NPs de plata y oro. 3- Evaluar la capacidad de cepas fúngicas psicrotolerantes como mediadoras de la síntesis de NPs de plata. 4- Estudiar y caracterizar las NPs obtenidas. 5- Analizar el impacto de la variabilidad intraespecífica en la síntesis de NPs de plata. 6- Estudiar el impacto del pH en la forma y tamaño de las NPs obtenidas. 7- Estudiar el efecto de las NPs de plata sintetizadas en el desarrollo de modelos biológicos. Se llevaron adelante ensayos de evaluación preliminar sobre la base de los cuales se seleccionaron cuatro cepas de Tulasnella albida, y adicionalmente cepas de Cerinosterus luteoalbus, T. assiutensis y Trametes trogii. A estas cepas se las caracterizó morfológica, molecular y fisiológicamente (curva de crecimiento, azúcares y proteínas totales, perfil enzimático). Las cepas seleccionadas se utilizaron para la síntesis de NPs de plata (AgNPs) y de oro (AuNPs). La síntesis de AgNPs se llevó adelante analizando 2 valores de pH (5 y 9) y 2 temperaturas (6 y 28°C) y AgNO3 como precursor, mientras que la síntesis de AuNPs se llevó adelante analizando 3 valores de pH (5, 9 y 11), a 28°C y utilizando como precursor HAuCl4 . Para todos los ensayos se realizaron 5 réplicas. Las NPs sintetizadas fueron caracterizadas mediante SEM, TEM, EDS, FTIR, Raman y OES (Espectroscopía de Extinción Óptica) para la cual se utilizó la teoría de Mie para reproducir el espectro experimental, teniendo en cuenta la distribución del tamaño de las AgNPs como parámetro de ajuste. Las cepas con mejores perfiles de producción en la síntesis de AgNPs fueron las de T. albida pero sin diferencia apreciable entre las cuatro cepas seleccionadas, seguidas por T. assiutensis y C. luteoalbus. Los resultados positivos fueron obtenidos a pH 9, mientras que a pH 5 no se obtuvieron resultados de síntesis. En el caso de T. trogii no se obtuvieron resultados con ninguno de los pH analizados. Las NPs obtenidas fueron esféricas, en el caso de T. albida, con un diámetro promedio de 5 nm. Se determinó mediante las técnicas Raman, TEM y EDS, que las NPs presentaban una capa de óxido alrededor conformando partículas core-shell Ag-Ag2O. En los casos de C. luteoalbus y T. assiutensis, se obtuvieron AgNPs poliédricas de variados tamaños. La composición elemental de las NPs fue determinada mediante EDS. Se analizaron las bandas de absorción correspondientes a los espectros FTIR para cada muestra de AgNPs mostrando que las NPs están rodeadas de material orgánico, probablemente proteínas. Se utilizó la teoría de Mie teniendo en cuenta una estructura de tipo núcleo-coraza para las NPs producidas con T. albida en las que se considera núcleo de Ag y coraza de Ag2O. Para el caso de las muestras de AgNPs de C. luteoalbus y T. assiutensis, se observaron mayoría de formas esféricas, aunque en algunos casos se encontraron morfologías diferentes en menor proporción. En este caso, los espectros de extinción producidos por las NPs se ven alterados respecto del que presentarían si sólo fueran NPs esféricas. Por esta razón el ajuste de los espectros con teoría de Mie (desarrollada para NPs esféricas) sólo permite reproducir la región alrededor del plasmón entre 350 y 450 nm, considerando NPs esféricas de radio modal 24,5 nm (C. luteoalbus) con una distribución log-normal apropiada alrededor de este radio. Se realizó un ajuste con una función exponencial creciente con asíntota A y un tiempo característico t0 para la curva del pico máximo de plasmón en función del tiempo obteniéndose valores comparativos entre cepas. Se observó que la cepa con mayor valor de A y menor t0 fue T. albida. El estudio de la síntesis de AuNPs dio resultados heterogéneos en cuanto a su morfología y condiciones de síntesis. T. albida mostró síntesis positivas a pH 9 y 11, resultando en su mayoría formas esféricas y algunas NPs con formas irregulares en ambos casos. C. luteoalbus también mostró resultados positivos a pH 9 y 11, dando NPs de formas irregulares y particularmente, en el segundo caso, también en forma de agujas. Talaromyces sp. mostró resultados a pH 5, dando NPs esféricas en su mayoría, pero también triangulares, cuadradas y en forma de agujas. T. trogii mostró resultados a pH 5, obteniéndose diferentes formas coexistiendo con otras cuasi esféricas. Se obtuvieron espectros de extinción UV-visible con características plasmónicas que pudieron ajustarse en el rango de longitudes de onda entre 500 y 600 nm solamente debido a la variedad morfológica existente. Se realizó un ajuste con una función exponencial creciente con asíntota A y un tiempo característico t0 para la curva del pico máximo de plasmón en función del tiempo obteniéndose valores comparativos entre cepas. Se observó que la cepa con mayor valor de A fue T. trogii. Se obtuvo la composición elemental de las NPs mediante EDS. Se analizaron los picos de absorbancia correspondientes a los espectros FTIR para cada muestra de AuNPs mostrando que las AuNPs están rodeadas de material orgánico. Las AgNPs sintetizadas fueron utilizadas para analizar el efecto que producían las mismas sobre ciertos organismos biológicos de interés agronómico/ambiental. En plantas se utilizó como modelo Phaseolus radiatus, evaluándose largo de raíz/largo de vástago y peso fresco/peso seco. En hongos se analizó el impacto sobre la comunidad fúngica endofítica en hojas de P. radiatus, evaluándose parámetros cuantitativos de la comunidad: abundancia, riqueza, diversidad; también se analizó el radio de de crecimiento de la colonia en los hongos Stemphylium sp., Alternaria sp. En animales se utilizó como modelo a Tenebrio molitor, y se evaluó supervivencia, pasaje de larva a pupa y de pupa a adulto, concentración de Ag en adulto mediante la técnica ICP-OES y, adicionalmente, se caracterizó la composición de la micobiota intestinal mediante análisis metagenómicos de larvas tratadas y no tratadas evaluándose parámetros cuantitativos de la comunidad. En base a los ensayos realizados en esta etapa de la tesis, se observa que las AgNPs sintetizadas por los organismos fúngicos de este trabajo, tienen un efecto negativo en el desarrollo de organismos biológicos. Particularmente los ensayos realizados con P. radiatus, y sobre algunos modelos fúngicos dieron diferencias significativas frente al control, mientras que en el resto de los ensayos sólo se observaron tendencias. Durante el desarrollo de este trabajo se identificaron, cepas de hongos con una buena capacidad de síntesis de AgNPs y AuNPs. Se analizó la variación de la síntesis de AgNPs dentro de la misma especie y también de AuNPS entre especies diferentes, y a distintos pH. Los resultados de esta tesis aportan adicionalmente una caracterización de calidad de las NPs sintetizadas. Los análisis llevados adelante incluyen un detallado estudio del efecto de las AgNPs sintetizadas en organismos biológicos modelo, pudiéndose inferir que las AgNPs podrían presentar efectos tóxicos en distintas partes del desarrollo de los mismos.
Abstract:
Nanotechnology is a field of technology that involves the synthesis, characterization, manipulation and application of structures at the nanoscale. Nanoparticles (NPs) of noble metals such as gold and silver show unique optical, electrical, mechanical, magnetic and chemical properties, very different from those found in the same materials on a macroscopic scale. The most common methods for producing metal NPs, at low cost and in significant volumes, use toxic solvents that present serious pollution problems associated with their environmental impact. Therefore, the development of new alternative technologies is necessary to address the increasingly important demands for NPs for different applications in various disciplines. Under this premise, the biological production of metal NPs emerges as an interesting option. The use of fungal organisms in the production of NPs receives increasing attention because they offer important advantages over the use of other organisms, among them, their easy cultivation under controlled conditions that can generally be scaled up with economically viable processes, and their ability as producers of extracellular compounds. In this framework, the identification of new and better organisms as mediators in obtaining NPs and the characterization of the synthesis conditions capable of modulating the shape and size of the NPs obtained in an environmentally friendly manner are presented as emerging challenges. Likewise, the increase in the use of this type of technology brings with it an environmental problem such as introducing a massive amount of materials into ecosystems that could affect organisms and impact the food chain in unknown ways. There are more and more studies on this topic, however, the level of toxicity of these materials is under debate, even finding contradictory results and a long way to go. In this context, the objectives of this work were: 1-Select organisms of interest as mediators of the synthesis of metal NPs. 2- Evaluate the capacity of different fungal strains as mediators of the synthesis of silver and gold NPs. 3-Evaluate the capacity of psychrotolerant fungal strains as mediators of the synthesis of silver NPs. 4- Study and characterize the NPs obtained. 5-Analyze the impact of intraspecific variability on the synthesis of silver NPs. 6- Study the impact of pH on the shape and size of the NPs obtained. 7- Study the effect of synthesized NPs in the development of biological models. Preliminary evaluation trials were carried out on the basis of which four strains of Tulasnella albida were selected, and additionally strains of Cerinosterus luteoalbus, T. assiutensis and Trametes trogii. These strains were characterized morphologically, molecularly and physiologically (growth curve, total sugars and proteins, enzymatic profile). The selected strains were used for the synthesis of silver NPs (AgNPs) and gold NPs (AuNPs). The synthesis of AgNPs was carried out analyzing 2 pH values (5 and 9) and 2 temperatures (6 and 28°C) and AgNO3 as precursor, while the synthesis of AuNPs was carried out analyzing 3 pH values (5, 9 and 11), at 28°C and using HAuCl4 as precursor. For all tests, 5 replicates were carried out. The synthesized NPs were characterized by SEM, TEM, EDS, FTIR, Raman and OES (Optical Extinction Spectroscopy) for which Mie theory was used to reproduce the experimental spectrum, taking into account the size distribution of the AgNPs as a fitting parameter. The strains with the best production profiles in the synthesis of AgNPs were those of T. albida but with no appreciable difference between the four selected strains, followed by T. assiutensis and C. luteoalbus. Positive results were obtained at pH 9, while at pH 5 no synthesis results were obtained. In the case of T. trogii, no results were obtained with any of the pHs analyzed. The NPs obtained were spherical, in the case of T. albida, with an average diameter of 5 nm. It was determined using Raman, TEM and EDS techniques that the NPs had an oxide layer around them, forming Ag-Ag2O core-shell particles. In the cases of C. luteoalbus and T. assiutensis, polyhedral AgNPs of various sizes were obtained. The elemental composition of the NPs was determined by EDS. The absorption bands corresponding to the FTIR spectra for each AgNPs sample were analyzed showing that the NPs are surrounded by organic material, probably proteins. The Mie theory was used taking into account a core-shell type structure for the NPs produced by T. albida in which the Ag core and Ag2O shell are considered. In the case of the AgNPs samples from C. luteoalbus and T. assiutensis, a wide variety of NP morphologies in addition to the spherical ones were observed. In this case, the extinction spectra produced by the NPs are altered compared to what they would present if they were only spherical NPs. For this reason, fitting the spectra with Mie theory (developed for spherical NPs) only allows reproducing the region around the plasmon between 350 and 450 nm, considering spherical NPs with a modal radius of 24.5 nm (C. luteoalbus) with an appropriate log-normal distribution around this radius. A fitting was performed with an increasing exponential function with an asymptote A and a characteristic time t0 for the curve of the maximum plasmon peak as a function of time, obtaining comparative values between strains. It was observed that the strain with the highest A value and lowest t0 was T. albida. The study of the synthesis of AuNPs gave heterogeneous results in terms of their morphology and synthesis conditions. T. albida showed positive syntheses at pH 9 and 11, resulting in NPs with irregular shapes in both cases, as well as spherical ones. C. luteoalbus also showed positive results at pH 9 and 11, giving NPs of irregular shapes and particularly, in the second case, also in the shape of needles. T. assiutensis showed results at pH 5, giving spherical, triangular, square and needle-shaped NPs. T. trogii showed results at pH 5, obtaining different shapes coexisting with other quasi-spherical ones. UV-visible extinction spectra were obtained with plasmonic characteristics that could be adjusted in the wavelength range between 500 and 600 nm only due to the existing morphological variety. A fitting was performed with an increasing exponential function with an asymptote A and a characteristic time t0 for the curve of the maximum plasmon peak as a function of time, obtaining comparative values between strains. It was observed that the strain with the highest A value was T. trogii. The elemental composition of the NPs was obtained by EDS. The absorbance peaks corresponding to the FTIR spectra for each AuNPs sample were analyzed showing that the AuNPs are surrounded by organic material. The synthesized AgNPs were used to analyze their effect on certain biological organisms of agronomic/environmental interest. In plants, Phaseolus radiatus was used as a model, evaluating root length/stem length and fresh weight/dry weight. In fungi, the impact on the endophytic fungal community in P. radiatus leaves was analyzed, evaluating quantitative parameters of the community: abundance, richness, diversity; The colony growth radius was also analyzed in the fungi Stemphylium sp., Alternaria sp. In animals, Tenebrio molitor was used as a model, and survival, passage from larva to pupa and from pupa to adult, Ag concentration in adults were evaluated using the ICP-OES technique and, additionally, the composition of the intestinal mycobiota was characterized using metagenomic analysis of treated and untreated larvae, evaluating quantitative parameters of the community. Based on the tests carried out in this stage of the thesis, it is observed that the AgNPs synthesized by the fungal organisms in this work have a negative effect on the development of biological organisms. Particularly the tests carried out with P. radiatus, and on some fungal models, gave significant differences compared to the control, while in the rest of the tests only trends were observed. During the development of this work, fungal strains with a good capacity to synthesize silver and gold NPs were identified. The variation in the synthesis of AgNPs within the same species and also of AuNPS between different species, and at different pHs, was analyzed. The results of this thesis additionally provide a quality characterization of the synthesized NPs. The analyzes carried out include a detailed study of the effect of the synthesized AgNPs on model biological organisms, and it can be inferred that the AgNPs could present toxic effects in different parts of their development.
Citación:
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Kobashigawa, Jesica María. (2024). Síntesis de nanopartículas metálicas mediada por organismos fúngicos : caracterización e impacto en modelos biológicos. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7646_Kobashigawa
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Kobashigawa, Jesica María. "Síntesis de nanopartículas metálicas mediada por organismos fúngicos : caracterización e impacto en modelos biológicos". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2024.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n7646_Kobashigawa
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