¿Cómo la materia orgánica natural puede cambiar la manera en que las nanopartículas afectan a las bacterias?

Originalmente publicado en inglés por Arielle Mensch
Publicado el 10 de agosto 2018
Traducio por Mariah Dooley; editado por Curtis Green

Hace casi 4 años ya (wow me estoy envejeciendo) escribí un artículo en el blog sobre los restos invisibles de cosas muertas escondidas en el agua llamada materia orgánica natural o NOM. Bueno, algunos colegas y yo recientemente publicamos un nuevo artículo titulado “La concentración de materia orgánica natural afecta la interacción de las nanopartículas de diamante funcionalizadas con membranas bacterianas modelo y reales”1, en el que presentamos algunos de los experimentos iniciales que discutí en mi blog anterior y aprendimos algunas cosas realmente interesantes en el camino. Nos propusimos comprender el impacto que la NOM puede tener sobre las propiedades de los nanomateriales, y luego cómo cualquier cambio inducido por la NOM a los nanomateriales puede afectar la forma en que interactúan con las bacterias. Déjenme explicar lo que quiero decir:

NOM es una colección de productos de descomposición de seres vivientes (animales, plantas, etc.) y sus desechos (heces, hojas, etc.). Debido a que está compuesto de materia orgánica, se compone principalmente de hidrógeno, oxígeno y carbono, pero no dejes que te engañe: la NOM es muy compleja. La estructura molecular exacta de NOM es desconocida y depende del entorno del que proviene. NOM en cierta cantidad se encuentra en todos los entornos que te puedas imaginar. En nuestros estudios utilizamos la NOM que obtuvimos del río Suwannee en Georgia, que es estándar para la Sociedad Internacional de Sustancias Húmicas (IHSS) (para más información sobre esta organización, pulsa aquí). Este río en particular fue elegido como estándar por el IHSS debido a la alta concentración de NOM en el río y al impacto humano relativamente bajo en esta área.

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Figura 1. Yo pasando un rato junto al río Suwannee, técnicamente en Florida. (Foto del Dr. Jack Tilka)

Uno de los objetivos de nuestro estudio fue ayudar a comprender cómo las nanopartículas afectan a los organismos en el entorno de un río. Así que pensemos en dos de las posibilidades que pueden suceder cuando una nanopartícula ingresa a un río: podría permanecer suspendida en la columna de agua o podría sedimentarse hasta el fondo del río. En ambos escenarios, también podría ser aprovechado (por ejemplo, comido) por organismos como peces o bacterias. Sin embargo, dado que la NOM se encuentra ubicuamente en el medio ambiente, antes de que pensemos en cómo las nanopartículas podrían afectar a esos organismos, primero debemos pensar en cómo la NOM podría afectar a las nanopartículas. Es muy probable que cuando una nanopartícula entra en un río, primero encuentre NOM. Por lo tanto, queríamos saber qué pasaría con las propiedades de la nanopartícula cuando eso ocurra. Nos centramos en el impacto sobre el tamaño y la carga de las nanopartículas porque estos dos factores pueden afectar cómo se transporta una nanopartícula en un entorno y dónde termina (suspendida en la columna de agua o sedimentada).

Para estudiar esta cuestión, mi colega Marco Torelli (un estudiante de posgrado en UW-Madison en ese momento) envolvió ligando cargados positivamente llamados clorhidrato de polialilamina (PAH) alrededor de las nanopartículas de diamante. Si bien es poco probable que las nanopartículas de diamante lleguen al río Suwannee (o cualquier otro río), los miembros del CSN son realmente buenos para controlar el tamaño y la química de la superficie de las nanopartículas de diamante. Tener este sistema controlado nos ayudó a comenzar a entender cómo la NOM podría afectar el tamaño y la carga de las nanopartículas.

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Figura 2: Caricatura de nanopartículas de diamante envueltas en PAH, que en el caso de nuestros estudios tenía carga positiva y ~ 15 nm de tamaño. (Imagen modificada con permiso de Mensch et al.1 Copyright 2017 American Chemical Society).

 

Lo que encontramos fue que la NOM, que está cargada negativamente, se sintió atraída por las partículas con carga positiva. Cuando agregamos solo un poco de NOM, encontramos que la carga total se mantuvo casi igual (positiva), pero las partículas aumentaron un poco en tamaño. Esto significa que la NOM provocó que las partículas se agreguen o se agrupen. A medida que agregamos más y más NOM, las partículas aún se agruparon pero se volvieron más de carga negativa. Puedes ver esto resumido en la Figura 2. Finalmente, encontramos que la cantidad de NOM presente juega un papel importante en el tamaño y la carga de las nanopartículas de diamante. Si estas partículas se liberan en el medio ambiente, es probable que su tamaño y carga no se mantengan igual a cuando comenzaron, lo cual es una cuestión muy importante a tomar en cuenta cuando se piensa en cómo se comporta una nanopartícula en el entorno.

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Figura 3. A medida que aumentamos la concentración de NOM y mantuvimos la cantidad de nanopartículas de diamante (PAH-DNP), notamos que las partículas experimentaban cambios en su tamaño y carga. (Imagen modificada con permiso de Mensch et al.1 Copyright 2017 American Chemical Society)

Al darse cuenta de que la NOM puede cambiar las propiedades de las nanopartículas de diamante, a continuación queríamos explorar cómo estos cambios en las propiedades podrían afectar las interacciones de las nanopartículas con los organismos. Nos enfocamos en las bacterias como un organismo modelo y pensamos en lo que sucedería cuando una nanopartícula encontrara una bacteria por primera vez. Probablemente, la nanopartícula golpearía primero la membrana celular externa de la bacteria. Por lo tanto, decidimos estudiar cómo las nanopartículas de diamante unidas a las bicapas lipídicas compatibles (un modelo para las membranas celulares). Para hacer que estas membranas parezcan tan similares a las bacterias como podríamos hacerlas en el laboratorio, incluimos los lipopolisacáridos (LPS), que son una molécula importante que se encuentra en la membrana externa de bacterias Gram-negativas, en algunas de las membranas modelo que estudiamos. (Para obtener más información sobre lo que LPS tiene que ver con las nanopartículas que se adhieren a las bacterias, consulte esta publicación).

Usamos la microbalanza de cristal de cuarzo con monitoreo de disipación (para más información pulsa aquí) para ver cuánta adhesión había entre las nanopartículas de diamante y las bicapas lipídicas en la presencia y la ausencia de NOM. Encontramos que pequeñas cantidades de NOM (cuando se agregaban partículas, de carga positiva) aumentaban la unión de nanopartículas de diamante a bicapas, mientras que altas cantidades de NOM (cuando agregaban partícula de carga negativa) eliminaban la unión a bicapas. Esto significa que no solo la NOM tiene la capacidad de cambiar las propiedades de las nanopartículas de diamante, sino que también puede afectar las interacciones con las membranas celulares de las bacterias.

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Figura 4. Cuando agregamos un poco de NOM vimos un aumento en la unión de nanopartículas de diamante a una membrana bacteriana modelo; sin embargo, cuando agregamos mucha NOM, pudimos eliminar la unión de dichas partículas. (Imagen utilizada con permiso de Mensch et al.1 Copyright 2017 American Chemical Society)

Para extender estos estudios a bacterias completas, mis colaboradores en la Universidad de Augsburg, Rodrigo Tapia Hernández y Josh Keuther, realizaron estudios similares para observar la interacción entre las nanopartículas de diamante y una bacteria Gram-negativa, Shewanella oniedensis. Notaron tendencias similares, donde bajas cantidades de NOM causaron que las partículas fueran tóxicas para las bacterias, pero cantidades altas de NOM eliminaron la toxicidad. Para profundizar aún más, hicieron una prueba donde observaron la cantidad de daño a la membrana que indujeron las nanopartículas de diamante en presencia y ausencia de NOM. Vieron que las altas concentraciones de NOM eliminaban el daño a la membrana, lo cual era consistente con nuestro trabajo de bicapa lipídica donde no vimos ninguna unión de partículas a altas concentraciones de NOM. ¡Fue realmente divertido ver cómo podíamos correlacionar los resultados en un sistema de membrana modelo con bacterias reales!

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Figura 5. Caricaturas (que me divertí demasiado) que muestran cómo las bajas concentraciones de NOM tienen un efecto tóxico sobre las bacterias, pero a altas concentraciones de NOM las partículas ya no son tóxicas. (Imagen de Arielle Mensch)

Nuestros resultados resaltan la importancia de considerar la materia orgánica natural cuando se piensa en el impacto de las nanopartículas en diferentes organismos en el medio ambiente. Mostramos cómo la NOM puede afectar las propiedades de las nanopartículas y también las interacciones posteriores con organismos. En última instancia, la NOM puede trabajar a nuestro favor para hacer que las nanopartículas sean menos tóxicas, pero hasta ahora solo hemos demostrado que para una nanopartícula en particular y un tipo de bacteria, ¡todavía hay mucho trabajo que hacer!


REFERENCIA (en inglés)

  1. Mensch, Arielle C., Rodrigo Tapia Hernandez, Joshua E. Kuether, Marco D. Torelli, Z. Vivian Feng, Robert J. Hamers, and Joel A. Pedersen. “Natural Organic Matter Concentration Impacts the Interaction of Functionalized Diamond Nanoparticles with Model and Actual Bacterial Membranes.” Environmental Science & Technology, 2017, 51, 19: 11075-11084. doi: 10.1021/acs.est.7b02823