Получение, структура и магнитные свойства железосодержащих наночастиц, синтезируемых бактериями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат физико-математических наук Ладыгина, Валентина Петровна

• Ладыгина, Валентина Петровна
• кандидат физико-математических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ладыгина, Валентина Петровна

ВВЕДЕНИЕ.:.

ГЛАВА 1. НАНОЧАСТИЦЫ: МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ, ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, ПРИМЕНЕНИЕ. ОБЗОР.

1.1 Наноструктурированные материалы.

1.2 Свойства наночастиц.

1.3 Наночастицы биологического происхождения.

1.4 Применения наночастиц в медицине.

ГЛАВА 2. ПОЛУЧЕНИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ НАНОЧАСТИЦ,

СИНТЕЗИРУЕМЫХ БАКТЕРИЯМИ.

2.1 Идентификация используемых микроорганизмов.

2.2 Методы культивирования и количественного учета микроорганизмов.

2.3 Метод магнитной сепарации.

2.4 Метод рентгеновской дифракции.

2.5 Метод просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ).

2.6 Метод малоуглового рентгеновского рассеяния.

2.7 Метод ферромагнитного резонанса.

2.8 Метод мессбауэровской (гамма резонансной) спектроскопии.

2.9 Культивирование Klebsiella oxytoca.

ГЛАВА 3. ИЗУЧЕНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ И ФИЗИЧЕСКИХ

СВОЙСТВ НАНОЧАСТИЦ, СИНТЕЗИРУЕМЫХ БАКТЕРИЯМИ KLEBSIELLA OXYTOCA.

3.1 Кристаллическая структура и ферригидрита, образуемого бактериями Klebsiella oxytoca, зависимость структуры от времени бактериального синтеза.

3.1.1 Прямые структурные и магнитные методы исследования.

3.1.2 Исследование ферригидрита методом Мессбауэровской спектроскопии.

3.2 Особенности кристаллической структуры ферригидрита, синтезированного бактериями.

ГЛАВА 4. ВОЗМОЖНЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОЧАСТИЦ,

СИНТЕЗИРУЕМЫХ БАКТЕРИЯМИ KLEBSIELLA OXYTOCA.

4.1 Магнитные свойства наночастиц ферригидрита.

4.2 Определение проникающей способности магнитных наночастиц в биоткани под действием магнитного внешнего поля.

4.3 Изучение цитотоксичности магнитных наночастиц.

4.4 Изучение эффективности комплекса наночастица/антибиотик.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Получение, структура и магнитные свойства железосодержащих наночастиц, синтезируемых бактериями»

Интенсивный поиск новых способов синтеза наночастиц в настоящее время обусловлен уникальными физическими характеристиками, присущими данным объектам, а, следовательно, широким спектром их возможного применения [1]. Существующие технологии синтеза наночастиц в подавляющем большинстве основаны на физических и физико-химических методах обработки исходных материалов (реагентов и веществ). Для получения наночастиц успешно используют такие методы, как ультрафиолетовое облучение, аэрозольные технологии, литография, лазерная абляция, методы фотохимического восстановления, ультразвуковые методы. Отрицательная сторона использования этих методов — высокая стоимость и использование опасных химических веществ и неполярных растворителей, что ограничивает их применение, например, в клинической области.

Известны способы синтеза наночастиц золота, серебра, золото-серебряных сплавов, селена, теллура, платины, палладия, диоксида кремния, титана, циркония и т.д. с использованием биологических объектов: микроорганизмов, растительных экстрактов и ферментов, структур подобных ДНК, вирусов, водорослей, грибов, дрожжей и т.д. [2]. Преимущества микроорганизмов как потенциальных источников получения наночастиц заключаются в возможности управляемого наращивания их биомассы, а также получения нанокристаллитов с заданными свойствами.

Огромное внимание уделяется биологическому синтезу железосодержащих наночастиц, что обусловлено биологической совместимостью данных объектов и возможностью управления внешним магнитным полем. Эти преимущества позволяют рассматривать железосодержащие наночастицы в качестве кандидатов при клиническом использовании для доставки лекарственных препаратов в соответствующие мишени. Известны четыре соединения железа, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Э го магнетит БезО.}, маггемит — у-Ре20з, пирротин Ре|.х8х (0<х<0,2) и ферригидрит 5Ре203*9Н20. До сих пор большее внимание привлекал магнетит, в частности образующийся в магнитотактных (п^пеим^э) бактериях [3]. Однако культивировать магнитотактные бактерии очень сложно, что ограничивает возможности использования биогенного магнетита. Источников выделения биогенного ферригидрита намного больше - ткани животных и человека, растения и микроорганизмы, поэтому он более доступен для исследований и использования в прикладных целях [4].

В данной работе предложен метод синтеза железосодержащих наночастиц путем биоминерализации железа металл-редуцирующими микроорганизмами. Использована бактериальная культура, выделенная из сапропеля озера Боровое (Красноярский край).

ЦЕЛЬ РАБОТЫ Разработать способ биогенного синтеза наноразмерпых частиц для биомедицинского применения.

ЗАДАЧИ

1. Разработать опытную лабораторную биотехнологию получения биомассы бактерий-продуцентов железосодержащих наночастиц.

2. Исследовать структуру и физические свойства полученных наночастиц с целыо идентификации синтезированного минерала. Установить влияние условий культивирования бактерий на физические свойства наночастиц.

3. Выявить перспективные методы обработки получаемого бактериального нанокристаллического материала и возможные области практического применения.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 107 страницах машинописного текста, включая 42 рисунка, 14 таблиц и списка литературы из 60 наименований.

Заключение диссертации по теме «Физика конденсированного состояния», Ладыгина, Валентина Петровна

Основные результаты, полученные в диссертации, могут быть сформулированы следующим образом.

1. Установлено, что исследуемые наночастицы, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов Klebsiella oxytoca, состоят из ферригидрита. Размер частиц 2—5 nm.

2. Определен состав питательной среды и технологические параметры, обеспечивающие образование ферригидрита бактериями. Исследована динамика роста бактериальной культуры и изменения структуры нанокристаллов при культивировании микроорганизмов в среде, содержащей различные ионы железа, а также при различных режимах освещения.

3. Показана возможность управлять данными биосиитезированными наночастицами внешним магнитным полем. f

4. Исследуемые магнитные наночастицы не обладают цитотоксическим действием и не уменьшают активность нейтрофилов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Ладыгина, Валентина Петровна, 2011 год

1. Суздалев И. Л., Суздалев П. И. Нанокластеры и нанокластериые системы. Организация, взаимодействие, свойства // Успехи химии. — 2001. — Т. 70.-№3.-С. 203-240.

2. Kannan Badri Narayanan, Natarajan Sakthivel. Biological synthesis of metal nanoparticles by microbes. // Advances in Colloid and Interface Science 156 (2010) 1-13.

3. Верховцева H.B. Образование бактериями магнетита и магнитотаксис // Успехи микробиологии. 1992. Вып.25. М. Наука. Стр. 51-79

4. Никандров В.В. Неорганические полупроводники в биологических и биохимических системах: биосинтез, свойства и фотохимическая активность // Успехи биологической химии. 2000. Т. 40. С. 357-396

5. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Ю. Магнитные наночастицы: методы получения, строение и свойства // Успехи химии. 2005. №74(6). С.549-569.

6. Наноструктурные материалы/ под ред. Р. Ханник, А Хилл; перевод с английского А.А. Шустикова под редакцией Н.И. Бауровой. М.; Техносфера, 2009.-287с.

7. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов. М.: КомКнига, 2006. 592 с.

8. Арискин Е.В. Реагирующие на магнитное поле включения в клетках прокариот//Микробиология. 2003. Т.72. №3. С.293-300.

9. Биогенный магнетит и магниторецепция: Новое о биомагнетизме // Под ред. Д. Киршвинка и др. М.: Мир. 1989. Т.1. 352 с.

10. Верховцева Н.В. Образование бактериями магнетита и магнитотаксис // Успехи микробиологии. 1992. Т. 25. С. 51-79.

11. Верховцева Н.В. Трансформация соединений железа гетеротрофными бактериями // Микробиология. 1995. Т. 64. № 4. С. 473-478.

12. Bazylinski D.A., Frankel R.B. Magnetosome formation in prokaryotes // Nature Rev. 2004. v. 2 P. 217-230.

13. Lovley D.R., Philips E.J.P. Novel mode of microbial energy metabolism: organic carbon oxidation coupled to dissimilatory reduction of iron or manganese // Appl. Environ. Microbiol., 1988, v.54. P. 1472-1480

14. Ванштейн М.Б., Сузина Р.У., Кудряшова Н.Е., Арискина Е.В., Сорокин В.В. К разнообразию магпитотактных бактерий // Микробиология. 1998. Т. 67. С. 807-814.

15. Слободкин А.И., Ерощев-Шак В.А., Кострикина Н.А., Лаврушин В.Ю., Дайняк Л.Г., Заварзин Г.А. Образование магнетита термофильными анаэробными микроорганизмами//ДАН. Т. 345. № 5. С. 694-697.

16. Chistyakova NL, Rusakov VS, Zavarzina DG, Slobodkin AI, Gorohova TV. // M?ssbauer study of magnetite formation by iron- and sulfate- reducing bacteria // Hyperfine interactions, V. 156, Issue: 1-4, 2004. P. 411-415.

17. Vainshtein M, Suzina N, Kudryashova E, Ariskina E. New magnet-sensitive structures in bacterial and archaeal cells // Biol Cell. 2002 v. 94. N 1. P.29-35.

18. Ivo Safarak, Mirka Safarnkov6. Magnetic nanoparticles and biosciences // Monatshefte fbr Chemie. 2002. V.133. P.737-759.

19. Lovley, D.R., and E.J.P. Phillips. 1987. Competitive mechanisms for inhibition of sulfate reduction and methane production in the zone of ferric iron reduction in sediments. Appl. Environ. Microbiol. 53: 2636-2641.

20. E. Murad. Clays and clay minerals: What can Mossbauer spectroscopy do to help understand them? Hyperf. Interact., V.l 17, P.39-79 (1998).

21. Мецлер Д. Биохимия. Т.З. Москва. Издательство "Мир". 1980.С. 488.

22. Cavallo S., Mei G., Stefanini S., Rosato N., Finazzi-Agro A., Chiancone E. // Protein/ Sci. 1998. V.7. P.427-432.

23. Никандров В.В. Неорганические полупроводники в биологических и биохимических системах: биосинтез, свойства и фотохимическая активность // Успехи биологической химии. Т.40. 2000. С.357-396.

24. Чухров Ф.В., Звягин Б.Б., Горшков А.И., Ермилова Л.П., Балашова В.В. О ферригидрите. // Изв. АН СССР, сер.геол. 1973. №4, С.23-34.

25. Jansen E., Kyek A., Schafer W., Schwertmann U. The structure of six-line ferrihydrite // Appl. Phys. 2002. V.A74 (Suppl.). P.S1004-S1006.

26. Wade M.L., Agresti D.G., Wdowick T.J. A Mossbauer investigation of iron-rich terrestrial hydrothermal vent systems: Lessons for Mars exploration // J. Geoph. Research. 1999. V.104. P.8489-8507.

27. Stevens J.G., Khasanov A.M., Grasette White M.S. Ferrihydrite Modification by Boron Doping//Hyperf. Interact. 2003. V.151/152. P.283-290.

28. Murad E. The Mossbauer spectrum of "well"-crystallized ferrihydrite // JMMM. 1988.V.74. P.153-157.

29. King GC, Choi SH, Chu S-H, Kim J-W, Park Y, Lillehei P, Watt GD, Davis R, Harb JN. Development of a bio-nanobattery for distributed power storage systems // Proceedings of the SPIE. 2004. V. 5389, pp. 461-467.

30. B.A. Олейников, A.B. Суханова, И.Р. Набиев. Флуоресцентные полупроводниковые нанокристаллы в биологии и медицине// Российские нанотехнологи. Т. 2. №1-2. 2007

31. Tartaj P., Morales М.Р., Veintemillas-Verdaguer S., Gonzalez-Carreno Т., Serna C.J. The preparation'of magnetic nanoparticles for applications in biomedicine // J. Phys. D: Appl. Phys. 2003. V. 36. P. 182-197.

32. Goodwin S, Peterson C, Hoh С and Bittner С 1999 J. Magn.

33. Magn. Mater. 194 132Awschalom D.D. Smyth J.F. Grinstein G. DiVincenzo D.P. Loss D. Macroscopic Quantum Tunneling in Magnetic Proteins // Phis. Rev. Lett. 1992. V. 68. № 20. P. 3092-3095.

34. Bou-Abdallah F., Lewin A.C. Le Brun N.E., Moore G.R., Chasteen N.D. Iron Detoxification Properties of Escherichia coli Bacterioferritin // J. Biol. Chem. 2002. Vol. 277, No. 40, Issue of October 4, pp. 37064-37069.

35. Методы общей бактериологии. Под ред. Ф.Герхардта и др. T.l. М. Мир.1983. С. 536.

36. Практикум по микробиологии. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И 1995, с 173.

37. Руководство к практическим занятиям по микробиологии / Под ред. Н.С.Егорова. М., изд-во МГУ, 1983, с. 224. 28.

38. Ю.Л. Райхер, В.И. Степанов, С.В. Столяр, В.П. Ладыгина, Д.А. Балаев, Л.А. Ищенко, М. Балашою. Магнитостатические свойства наночастиц ферригидрита, продуцируемого Klebsiella oxytoca //ФТТ. 2010. №2.

39. Manson L. W. David G. A. Thomas J. W. Lawrence P. A. A Mossbauer investigation of iron-rich terrestrial hydro thermal vent systems: Lessons for Mars exploration. // Journal of geophysical research. 1999. V. 104. № E4, P. 8489-8507.

40. Ahorony S.M. Litt M.H. Superparamagnetism and Exchange Anisotropy in Microparticles of Magnetite Embedet in an Inert Carbonaceous Matrix. // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. № 1. P. 352-356 .

41. Kundig W. Audo K.J. Lindguist R.H. Constabaris G. Mossbauer studies of ultrafine particles ofNiO and a-Fe203. Czechosl. J. Phys. 1967. V.17. № 5. P. 467-473.

42. Kundig W. Bommel PI. Constabaris G. Lindguist R.H. Some properties of supported small a-Fe203 particles determined with the M6ssbauer Effect. // Phis. Rev. 1966. V. 142, №2, 327-333.

43. Крупнянский Ю.Ф. Суздалев И.П. Магнитные свойства ультрамалых частиц окиси железа//ЖЭТФ. 1973. Т. 65. Вып. 4. №10. С. 1715-1724.

44. Возшок П.О. Дубинин В.Н. Разумов О.Н. Магнитная структура ультрамалых частиц p-FeO(OH). // ФТТ. 1977. Т. 19. Вып. 11. С. 3222-3228.

45. Jansen E., Kyek A., Schafer W., Schwertmann U. The structure of six-line ferrihydrite//Appl. Phys. 2002. V.A74 (Suppl.). P. S1004-S1006.

46. Oshtrakh M.I. Study of the relationship of small variations of the molecular structure and iron state in iron containing proteins by Mossbauer spectroscopy: biomedical approach // Spectrochimica Acta. 2004. Part A 60. P. 217-234.

47. C.B. Столяр, О.А. Баюков, Ю.Л. Гуревич, Е.А. Денисова, Р.С. Исхаков,

48. B.П. Ладыгина, А.П. Пузырь, П.П. Пустошилов, М.А. Битехтина. Железосодержащие наночастицы, образующиеся в результате жизнедеятельности микроорганизмов. Неорганические материалы, т.42, №7, с. 1-6 (2006).

49. Jansen Е., Kyek A., Schafer W., Schwertmann U.//Appl. Phys., 2002,v.A 74 Suppl., S1004.

50. Murad EM JMMM, 1988, v.74, p. 153.

51. Oshtrakh M.I. //Spectrochimica Acta, 2004. Part A 60. P. 217.

52. Райхер Ю.Л., Степанов В.И., Столяр C.B, Ладыгина В.П. и др. Магнитные свойства биоминеральных наночастиц, продуцируемых бактериями Klebsiella oxytoca // ФТТ. 2010. Т. 52. - Вып. 2. - С. 277-284.

53. Столяр С.В, Баюков О.А., Ладыгина В.П., Исхаков Р.С., Ищенко Л.А., Яковчук В.Ю., Добрецов К.Г., Позняков А.И., Пиксина О.Е. Мессбауэровское исследование температурных превращений в бактериальном ферригидрите // ФТТ,-2011 Т. 53.-Вып. 1.-С. 97-101.

54. Добрецов К.Г.,-Афонькин В.Ю., Кириченко А.К., Ладыгина В.П., Столяр

55. C.В., Баюков О.А., Сипкин А.В. Способ введения магнитных наночастиц в ткани с помощью градиента магнитного поля в эксперименте // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины 2009г. - №6. - С. 693-695.

56. Патент на изобретение № 2381030. 2010. Способ введения магнитных наночастиц для проведения местной терапии при заболеваниях организма в эксперименте. Добрецов К.Г., Афонькин В.Ю., Столяр С.В., Ладыгина В.П., Сипкин А.В.