chemicallytechFine Chemical TechnologiesТонкие химические технологии2410-65932686-7575MIREA – Russian Technological University (RTU MIREA).10.32362/2410-6593-2019-14-3-50-59chemicallytech-1272Research ArticleCHEMISTRY AND TECHNOLOGY OF MEDICINAL COMPOUNDS AND BIOLOGICALLY ACTIVE SUBSTANCESХИМИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ЛЕКАРСТВЕННЫХ ПРЕПАРАТОВ И БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНЫХ СОЕДИНЕНИЙProspects of Applying Biogenic Quantum Dots of Silver, Cadmium and Zinc Sulfides Nanoparticles to Create Polymeric Bionanocomposite MaterialsПерспектива применения биогенных квантовых точек наночастиц сульфидов серебра, кадмия и цинка для создания полимерных бионанокомпозитных материаловhttps://orcid.org/0000-0001-8751-8184ЖуравлеваО. А.ZhuravliovaO. A.

Журавлева Ольга Алексеевна = младший научный сотрудник лаборатории белковой инженерии.

117545, Москва, 1-й Дорожный проезд, д. 1

ResearcherlD: О-8437-2015

Olga A. Zhuravliova - Junior Researcher of the Laboratory of Protein Engineering.

1, 1-st Dorozhniy proezd, Moscow 117545

ResearcherID: О-8437-2015

zhuravlevaolgga@gm.ail.comhttps://orcid.org/0000-0001-8864-9266ВоейковаТ. А.VoeikovaT. A.

Воейкова Татьяна Александровна - кандидат биологических наук, главный научный сотрудник лаборатории белковой инженерии.

117545, Москва, 1-й Дорожный проезд, д. 1

Tatiana A. Voeikova - Ph.D. (Biology), Chief Researcher of the Laboratory of Protein Engineering.

1, 1-st Dorozhniy proezd, Moscow 117545

https://orcid.org/0000-0003-2610-8493КедикС. А.KedikS. A.

Кедик Станислав Анатольевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой биотехнологии и промышленной фармации.

119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Stanislav A. Kedik - D.Sc. (Engineering), Professor, Head of the Chair of Biotechnology and Industrial Pharmacy.

86, Vernadskogo pr., Moscow 119571

ГрицковаИ. А.GritskovaI. A.

Грицкова Инесса Александровна - доктор химических наук, профессор кафедры химии и технологии высокомолекулярных соединений им. С.С. Медведева.

119571, Москва, пр-т Вернадского, д. 86

Inessa А. Gritskova - D.Sc. (Chemistry), Professor of the S.S. Medvedev Chair of Chemistry and Technology of Macromolecular Compounds.

86, Vernadskogo pr., Moscow 119571

ГусевС. А.GusevS. A.

Гусев Сергей Андреевич - доктор медицинских наук, профессор, заведующий лабораторией морфологии.

119435, Москва, ул. Малая Пироговская, д. 1А

Sergey A. Gusev - D.Sc. (Medicine), Professor, Head of the Morphology Laboratory.

1A, Malaya Pirogovskaya st., Moscow 119435

ResearcherID: А-6077-2014

https://orcid.org/0000-0002-3649-2778РетивовВ. М.RetivovV. M.

Ретивов Василий Михайлович - кандидат химических наук, заведующий аналитическим испытательным центром.

107076, Москва, ул. Богородский вал, д. 3

ResearcherID: А-6077-2014

Vasiliy M. Retivov - Ph.D. (Chemistry), Head of the Analytical Testing Center.

3, Bogorodsky Val st., Moscow 107076

КожуховаЕ. И.KozhukhovaE. I.

Кожухова Евгения Игоревна - младший научный сотрудник.

107076, Москва, ул. Богородский вал, д. 3

Evgeniya I. Kozhukhova - Junior Researcher.

3, Bogorodsky Val st., Moscow 107076

ДебабовВ. Г.DebabovV. G.

Дебабов Владимир Георгиевич - академик РАН, доктор биологических наук, научный руководитель.

117545, Москва, 1-й Дорожный проезд, д. 1

Vladimir G. Debabov - Academician of RAS, D.Sc. (Biology), Scientific Director.

Государственный научно-исследовательский институт генетики и селекции промышленных микроорганизмов Национального исследовательского центра Курчатовский институтРоссияState Research Institute of Genetics and Selection of Industrial Microorganisms of National Research Centre «Kurchatov Institute»Russian FederationМИРЭА - Российский технологический университет (Институт тонких химических технологий имени М.В. Ломоносова)РоссияMIREA - Russian Technological University (M.V. Lomonosov Institute of Fine Chemical Technologies),Russian FederationФедеральный научно-клинический центр физико-химической медицины ФМБА РоссииРоссияFederal Research and Clinical Center of Physico-Chemical Medicine of Federal Medical Biological Agency of RussiaRussian FederationИнститут химических реактивов и особо чистых химических веществ Национального исследовательского центра Курчатовский институтРоссияResearch Institute of Chemical Reagents and High-Purity Chemical Substances of National Research Centre «Kurchatov Institute»Russian Federation2019120720191435059Copyright © Zhuravliova O.A., Voeikova T.A., Kedik S.A., Gritskova I.A., Gusev S.A., Retivov V.M., Kozhukhova E.I., Debabov V.G., 20192019Журавлева О.А., Воейкова Т.А., Кедик С.А., Грицкова И.А., Гусев С.А., Ретивов В.М., Кожухова Е.И., Дебабов В.Г.Zhuravliova O.A., Voeikova T.A., Kedik S.A., Gritskova I.A., Gusev S.A., Retivov V.M., Kozhukhova E.I., Debabov V.G.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.finechem-mirea.ru/jour/article/view/1272

The possibility of applying silver, cadmium and zinc sulfide nanoparticles (npAg2S, npCdS and npZnS) obtained using Shewanella oneidensis MR-1 and Bacillus subtilis 168 bacterial cultures for the creation of a new class of polymeric bionanocomposite materials was investigated. Biogenic nanoparticles obtained in aqueous solutions of the corresponding salts in the presence of various types of microorganisms are characterized by the presence of protein molecules on their surface. The molecules composition is determined by the bacterial culture. Proteins stabilize them and allow the nanoparticles to covalently join the active groups of polymeric carriers. Aminated chloromethylated polystyrene microspheres, as well as ion-exchange resins of various types, were used as polymeric matrices. Analysis of interaction with them can be used as a method for studying the properties of biogenic nanoparticles of metal sulfides for subsequent successful selection of a polymeric carrier. The immobilization of biogenic nanoparticles of metal sulfides onto the surface of aminated chloromethylated polystyrene microspheres was found to depend on the level of stability of aqueous nanoparticle suspensions and is determined by the negative charge of biogenic npAg2S, npCdS and npZnS, which suggests covalent binding and the electrostatic interaction of the components in the composition of the polymer bionanocomposite. A comparative analysis of the parameters of nanoparticles depending on the strain used in the biosynthesis was carried out. Analysis of the main physicochemical characteristics of npCdS and npZnS showed that the small size of nanoparticles (npCdS - 5 nm, npZnS - up to 2 nm) and the presence of luminescence peaks at wavelengths less than 400 nm classify them in the blue region of the fluorescence spectrum and identify them as quantum dots. Thus, the possibility of introducing fluorescent quantum dots of nanoparticles of metal sulfides of biogenic origin into various polymeric matrices has been demonstrated, which contributes to the expansion of the horizons for using a new class of nanoparticles to create polymeric bionanocomposites.

Исследована возможность применения наночастиц сульфида серебра, кадмия и цинка (npAg2S, npCdS и npZnS), полученных с использованием бактериальных культур Shewanella oneidensis MR-1 и Bacillus subtilis 168, для создания нового класса полимерных бионанокомпозитных материалов. Биогенные наночастицы, полученные в водных растворах соответствующих солей в присутствии различных типов микроорганизмов, характеризуются наличием на их поверхности белковых молекул, состав которых определяется бактериальной культурой. Белки стабилизируют наночастицы и позволяют им ковалентно присоединяться к активным группам полимерных носителей. В качестве полимерных матриц использовали аминированные хлорм,етилирован-ные полистирольные микросферы, а также ионообменные смолы различных типов. Анализ взаилюдействия с ними люжет быть использован в качестве лъетода изучения свойств биогенных наночастиц сульфидов металлов для последующего успешного выбора полимерного носителя. Установлено, что иммобилизация биогенных наночастиц сульфидов металлов на поверхности аминированных хлорметилированных полистирольных микросфер зависит от уровня стабильности водных суспензий наночастиц и определяется отрицательным зарядом биогенных npAg2S, npCdS и npZnS, что предполагает ковалентное связывание и электростатическое взаимодействие компонентов в составе полимерного бионанокомпозита. Проведен сравнительный анализ параметров наночастиц в зависимости от штамма, используемого в биосинтезе. Анализ основных физико-химических характеристик npCdS и npZnS показал, что небольшие размеры наночастиц (npCdS - 5 нм, npZnS - до 2 нм) и наличие люминесцентных пиков на длинах волн менее 400 нм, что относит их к синей области спектра флуоресценции, позволяет классифицировать их как квантовые точки. Таким образом, была продемонстрирована возможность введения флуоресцентных квантовых точек наночастиц сульфидов металлов биогенного происхождения в различные полимерные матрицы, что способствует расширению горизонтов использования нового класса наночастиц для создания полимерных бионанокомпозитов.

биосинтезShewanella oneidensis MR-1Bacillus subtilis 168биогенные наночастицы сульфидов металловквантовые точкибелковое покрытиеполимерные микросферыионообменные смолыbiosynthesisShewanella oneidensis MR-1Bacillus subtilis 168biogenic nanoparticles of metal sulfidesquantum dotscapping agentspolymeric microspheresion-retardation resinИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 19-04-00088ReferencesВолкова Е.В., Лукашевич А.Д., Левачева И.С., Ле-вачев С.М., Гусев С.А., Грицкова И.А. Выбор полимерных микросфер для проведения реакции латексной агглютинации в плашечном формате // Вестник МИТХТ. 2013. Т. 8. № 6. С. 68-72.Volkova E.V., Lukashevich A.D., Levacheva I.S., Levachev S.M., Gusev S.A., Gritskova I.A. Choosing polymer microspheres for carrying out the latex agglutination reaction in plates. VestnikMITHT=Fine Chemical Technologies. 2013; 8(6):68-72. (in Russ.)Бражник К.И., Барышникова М.А., Соколова З.А., Набиев И.Р, Суханова А.В. Новые направления в исследовании и ранней диагностике рака с применением детек-ционных систем на основе флуоресцентных нанокристаллов // Российский биотерапевтический журнал. 2013. Т. 12. № 3. С. 12-24.Brazhnik K.I., Baryshnikova M.A, Sokolova Z.A., Nabiev I.R., Sukhanova A.V. New method in the study and early diagnosis of cancer with the use of detection systems based on fluorescent nanocrystals. Rossijskij bioterapevticheskij zhurnal = Russian Journal of Biotherapy. 2013; 12(3):11-24. (in Russ.)Ali S.M., Ramay S.M., Aziz M.M., Ur-Rehman N., Al Garow M.S., Al Ghamad S.S., Machmood A., Al Khuraiji T.S., Atig S. Efficiency enhancement of perovskite solar cells by incorporation of CdS quantum dot through fast electron injection // Organic Electronics. 2018. V 62. P. 21-25. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.07.012Ali S.M., Ramay S.M., Aziz M.M., Ur-Rehman N., Al Garow M.S., Al Ghamad S.S., Machmood A., Al Khuraiji T.S., Atig S. Efficiency enhancement of perovskite solar cells by incorporation of CdS quantum dot through fast electron injection. Organic Electronics. 2018; 62:21-25. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2018.07.012Bouccara S., Sitbon G., Fragola A., Lorette V, Lequeny N., Pons T. Enhancing fluorescence in vivo imaging using inorganic nanoprobes // Current Opinion in Biotechnology. 2015. V 34. P. 65-72. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2014.11.018Bouccara S., Sitbon G., Fragola A., Lorette V., Lequeny N., Pons T. Enhancing fluorescence in vivo imaging using inorganic nanoprobes. Current Opinion in Biotechnology. 2015; 34:65-72. https://doi.org/10.1016/j.copbio.2014.11.018Ye Z., Kong L., Chen F., Chen Z., Li Y, Lin C. A comparative study of photo catalytic activity of ZnS photo catalyst for degradation of various dyes // Optik. 2018. V. 164. P. 345-354. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.03.030Ye Z., Kong L., Chen F., Chen Z., Li Y., Lin C. A comparative study of photo catalytic activity of ZnS photo catalyst for degradation of various dyes. Optik. 2018; 164:345354. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2018.03.030Hosseini M.R., Sarvi M.N. Recent achievements in the microbial synthesis of semiconductor metal sulfide nanoparticles // Materials Science in Semiconductor Processing. 2015. V. 40. P. 293-301. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.06.003Hosseini M.R., Sarvi M.N. Recent achievements in the microbial synthesis of semiconductor metal sulfide nanoparticles. Materials Science in Semiconductor Processing. 2015; 40:293-301. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2015.06.003Suresh A.K., Doktycz M.J., Wang W., Moon J.-W., Gu B., Meyer III H.M., Hensley D.K., Allison D.P., Phelps T.J, Pelletier D.A. Monodispersed biocompatible silver sulfide nanoparticles: facile extracellular biosynthesis using y-proteobacterium Shewanella oneidensis // Acta Biomateriala. 2011. V. 7. № 12. P. 4253-4258. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.07.007Suresh A.K., Doktycz M.J., Wang W., Moon J.-W., Gu B., Meyer III H.M., Hensley D.K., Allison D.P., Phelps T.J, Pelletier D.A. Monodispersed biocompatible silver sulfide nanoparticles: facile extracellular biosynthesis using y-proteobacterium Shewanella oneidensis. Acta Biomateriala. 2011; 7(12):4253-4258. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2011.07.007Yue L, Qi S., Wang J., Cai J., Xin B. Controllable biosynthesis and characterization of a-ZnS and P-ZnS quantum dots: Comparing their optical properties // Materials Science in Semiconductor Processing. 2016. V 56. P. 115-118. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2016.07.015Yue L, Qi S., Wang J., Cai J., Xin B. Controllable biosynthesis and characterization of a-ZnS and P-ZnS quantum dots: Comparing their optical properties. Materials Science in Semiconductor Processing. 2016; 56:115-118. https://doi.org/10.1016/j.mssp.2016.07.015Qi P., Zhang D., Zeng Y, Wan Y. Biosynthesis of CdS nanoparticles: A fluorescent sensor for sulfate-reducing bacteria detection // Talanta. 2016. V 147. P. 142-146. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.09.046Qi P., Zhang D., Zeng Y, Wan Y Biosynthesis of CdS nanoparticles: A fluorescent sensor for sulfate-reducing bacteria detection. Talanta. 2016; 147:142-146. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2015.09.046Gao X., Levenson R. M., Chung L. W., Nie S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots // Nature Biotechnology. 2004. V. 22. № 8. P. 969-976. https://doi.org/10.1038/nbt994Gao X., Levenson R. M., Chung L. W., Nie S. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nature Biotechnology. 2004; 22(8):969-976. https://doi.org/10.1038/nbt994Воейкова Т.А., Журавлева О.А., Булушова Н.В., Вейко В.П., Исмагулова Т.Т., Лупанова Т.Н., Шайтан К.В., Дебабов В.Г. «Белковая корона» наночастиц сульфида серебра, полученных в присутствии грамотрицательных и грамположительных бактерий // Молекулярная генетика, микробиология, вирусология. 2017. Т. 35. № 4. С. 151-156. https://doi.org/10.18821/0208-0613-2017-35-4-151-156Voeikova T.A., Zhuravliova O.A., Bulushova N.V., Veiko V.P., Ismagulova T.T., Lupanova T.N., Shaitan K.V., Debabov V.G. The «protein corona» of silver-sulfide nanoparticles obtained using Gram-negative and -positive bacteria. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology. 2017; 35(4):204-211.Журавлева О.А., Воейкова Т.А., Хаддаж М.Х., Булушова Н.В., Исмагулова Т.Т., Бахтина А.В., Гусев С.А., Грицкова И.А., Лупанова Т.Н., Шайтан К.В., Дебабов В.Г Бактериальный синтез наночастиц сульфидов кадмия и цинка. Характеристика и перспектива их применения // Молекулярная генетика, микробиология, вирусология. 2018. Т. 36. № 4. С. 191-198. https://doi.org/10.17116/molgen201836041191Zhuravliova O.A., Voeikova T.A., Khaddazh M., Bulushova N.V., Ismagulova T.T., Bakhtam A.V., Gusev S.A., Gritskova I.A., Lupanova T.N., Shaitan K.V., Debabov V.G. Bacterial synthesis of cadmium and zinc sulfide nanoparticles: Characteristics and perspective of their application. Molekulyarnaya genetika, mikrobiologiya i virusologiya = Molecular Genetics, Microbiology and Virology. 2018; 36(4):191-198. (in Russ.). https://doi.org/10.17116/molgen201836041191Бахтина А.В., Сиваев А.А., Левачев С.М., Гусев С.А., Лобанова Н.А., Лазов М.А., Грицкова И.А. Синтез аминосодержащих полимерных микросфер затравочной сополимеризацией для применения в биотехнологии // Тонкие химические технологии. 2017. Т. 12. № 4. С. 75-84. https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-4-75-84Bakhtina A.V, Sivaev A.A., Levachev S.M., Gusev S.A., Lobanova N.A., Lazov M.A., Gritskova I.A. Synthesis of amino-containing polymeric microspheres by seed copolymerization for applications in biotechnology. Tonkie khimicheskie tekhnologii = Fine Chemical Technologies. 2017; 12(4):75-84. (in Russ.). https://doi.org/10.32362/2410-6593-2017-12-4-75-84Лурье А.А. Сорбенты и хроматографические носители. М.: Химия, 1972. 320 с.Lur'e A.A. Sorbents and chromatographic bases. Moscow: Khimiya Publ., 1972. 320 p. (in Russ.)Садовников С.И., Гусев А.И., Ремпель А.А. Полупроводниковые наноструктуры сульфидов свинца, кадмия и серебра. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2018. 428 с.Sadovnikov S.I., Gusev A.I., Rempel A.A. Semiconductor nanostructured lead, cadmium and silver sulfides. Moscow: FIZMATLIT Publ., 2018. 428 p. (in Russ.)Здобнова Т.А., Лебеденко Е.Н., Деев С.М. Квантовые точки для молекулярной диагностики опухолей // Acta Naturae (русскоязычная версия). 2011. Т. 3. № 1. С. 30-50.Zdobnova T.A., Lebedenko E.N., Deyev SM. Quantum dots for molecular diagnostics of tumors. Acta Naturae (англоязычная версия). 2011; 3(1):29-47.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.