Ученые ЦКП «СКИФ» изучили свойства бионаночастиц

Ученые ЦКП «СКИФ», расположенного в Новосибирской области, пришли к выводу, что материалы обладают уникальными магнитными свойствами и имеют высокий потенциал применения для очистки сточных вод и хвостохранилищ, а также перспективны в качестве бионаночастиц, применяемых в таргетной терапии заболеваний.

Старший научный сотрудник отдела синхротронных исследований ЦКП «СКИФ» Михаил Платунов совместно с коллегами из российских научных организаций изучил атомную структуру и свойства магнитных наноматериалов, образованных бактериями, обитающими в стоках промышленных предприятий. Исследование показало, что материалы обладают уникальными магнитными свойствами и имеют высокий потенциал применения для очистки сточных вод и хвостохранилищ, а также перспективны в качестве бионаночастиц, применяемых в таргетной терапии заболеваний.

В исследовании приняли участие ученые ЦКП «СКИФ», Томского государственного университета (ТГУ), НИЦ «Курчатовский институт» (Москва), Института физики СО РАН (Красноярск), Института ядерной физики СО РАН, Института химии твердого тела и механохимии СО РАН.

Ученые исследовали наноматериалы, синтезированные штаммами анаэробных сульфатредуцирующих (способных получать энергию в отсутствии кислорода за счет сульфатного дыхания – восстановления сульфатов до сероводорода) бактерий Desulfovibrio sp. Некоторые штаммы Desulfovibrio sp. относятся к магнитотактическим бактериям – микроорганизмам, способным ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля Земли благодаря наличию магнитосом – формирующихся внутри клеток нанокристаллов железосодержащих минералов, таких как грейгит или магнетит.

В процессе жизнедеятельности эти бактерии поглощают ионы металлов из окружающей среды и формируют биоминералы как внутри, так и вокруг клеточной оболочки. Эта способность делает Desulfovibrio sp. перспективным объектом для создания биосовместимых наноматериалов, применимых в медицине, электронике и промышленности.

«Зеленый» (биогенный) синтез наноматериалов имеет множество преимуществ перед химическим, включая отсутствие токсичных химикатов, экологически чистый процесс производства стабильных наноструктур и более низкую стоимость. Штамм Desulfosporosinus sp. OL был выделен учеными Кафедры физиологии растений, биотехнологии и биоинформатики Томского государственного университета из хвостохранилища Комсомольского золоторудного месторождении в Кемеровской области. Полученные бактерии синтезировали нанокристаллы, которые были переданы для анализа в отдел синхротронных исследований ЦКП «СКИФ».

В результате исследований на источниках синхротронного излучения в Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН и НИЦ «Курчатовский институт» было установлено, что данный штамм образует наночастицы железосодержащих минералов с выраженными магнитными свойствами, включая грейгит, ферригидрит, виванит и сидерит. Эти бактерии, живущие в шламах промышленных предприятий, действуют как биосорбенты, эффективно поглощая фосфор и формируя фосфорсодержащие минералы. Это подтверждает высокую перспективность использования Desulfosporosinus metallidurans в технологиях биологической очистки сточных вод и извлечения фосфора из промышленных отходов. Более того, магнитные свойства синтезированных частиц позволяют не только эффективно отделять фосфорсодержащие соединения, но и восстанавливать фосфор с последующим использованием в производстве сырья для фосфорных удобрений, компонентов для литиевых батарей и в катализе.

Таким образом, исследователям удалось показать, что использование Desulfosporosinus metallidurans обладает высоким потенциалом для создания экономически и экологически эффективных решений в области утилизации промышленных отходов и устойчивого фосфорного цикла.

Штамм Desulfovibrio sp. A2 также был выделен учеными Томского государственного университета в рамках изучения биомеханизмов синтеза наноматериалов.

Ученые исследовали наноструктуры, сформированные этими бактериями, и выявили, что они представляют собой смесь железосодержащего минерала вивианита, кристаллических фаз серы и наночастиц ферригидрита. Существенная доля серосодержащих минералов оказывает важное влияние на кристаллохимические и магнитные свойства полученного материала.

Исследования показали, что биогенные материалы обладают уникальными магнитными характеристиками. В частности, незначительные изменения в локальной атомной структуре этих материалов могут значительно влиять на такие параметры, как намагниченность насыщения и магнитная жесткость, открывая возможности для точной настройки магнитных свойств. Это может быть особенно важно при разработке функциональных материалов для биомедицинского применения, например в таргетной доставке лекарств или гипертермической терапии опухолей.

Таким образом, штамм Desulfovibrio A2 представляет собой перспективную биоплатформу для создания биосовместимых и управляемых магнитных наноматериалов с заданными характеристиками.