GÜMÜŞ NANOPARTİKÜLLER LLERİNİN N GIDA PATOJENLERİ ÜZERİNDEKİ ANTİBAKTER BAKTERİYEL ETKİLER LERİ GAMZE KOÇER VE NENE MELTEM KEKLİK GIDA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ CUMHURİYET ÜNİVERSİTESİ
Nanoteknoloji Atom düzeyindeki materyalleri işler. 1-100 nm aralığında değişen boyutlara sahip nanopartiküller üretir. Onlara yeni fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikler kazandırır. (Rai ve ark., 2011, Shrivastava ve ark., 2007). 2
Yeni pestisitler, gübreleme, hayvan ve bitki patojenlerinin tespiti Daha stabil ve biyoyararlılığıdaha yüksek gıda desteklerinin üretimi, mineral ve vitamince zenginleştirme, içme suyu arıtımı Şekil 1: Gıda biliminde nanoteknoloji uygulamaları (Polat ve ark., 2014) Aroma ve koku maddelerinin enkapsülasyonu, gıdaların tekstür ve kalitesinin iyileştirilmesi, yeni jelleştirme ve koyulaştırma maddelerinin üretimi, ekipman sanitasyonu Patojen mikroorganizma indikatörü, gaz veya bozulma algılayıcıları, antimikrobiyal ajanlar ve filmler 3
Neden yeni antimikrobiyal ajanlara ihtiyaç duyuyoruz? Çeşitli antibiyotiklere karşı direnç kazanan mikroorganizmalar Yeni keşfedilen mikroorganizmalar Mevcut kimyasal koruyucuların toksik ya da kalıntıriskleri Daha düşük konsantrasyonlarda daha yüksek etkiyi sağlayabilen ajanlar vs. 4
Antimikrobiyal ajan olarak nanopartiküller Makropartiküllere göre özgül yüzey alanı daha geniş atomlar daha kolay ve hızlı biçimde reaksiyona girebilmektedir. Eşsiz elektronik, manyetik, optik ve mekanik özellikler (Rai ve ark., 2011) 5
Ag Nanopartikülleri (AgNP) Ag tuzlarıve türevleri eski çağlardan beri yanık, yara ve enfeksiyonlarıtedavi etmek amacıyla kullanılmaktadır. (Rai ve ark., 2011) Şekil 2: 20 nm boyutundaki AgNP leri Etkili ve genişspektrumlu antibakteriyel aktiviteleri sebebiyle günümüzde de istenmeyen mikroorganizmaları ortadan kaldırmak ve kontaminasyonu önlemek amacıyla kullanılmaktadır. (Matteis ve ark., 2015) 6
Ag Nanopartiküllerini Sentezlenme Metotları Gümüş nanopartikülleri (AgNP) gümüş tuzlarından Fiziksel yöntemler Kimyasal yöntemler Biyolojik yöntemler ile sentezlenmektedir. 7
Fiziksel metotlar Fotokimyasal sentez Lazer ile eritme Faz transfer işlemleri Mikro emülsiyon Mikrodalga uygulaması Gama ışıması (Dong ve ark., 2012) 8
Kimyasal metotlar Gümüş iyonunun indirgeyici ajan(lar) tarafından indirgenmesi Askorbik asit, hidrazin, amonyum format, sodyum boroksit, trisodyum sitrat Partiküllerin kümeleşmesini önlemek için koruyucu ajan(lar)la stabilize edilmesi (Dong ve ark., 2012) 9
Biyolojik metotlar Maya, küf, bakteri, meyve, bitki ekstratlarıgibi çeşitli biyolojik sistemler kullanılarak da AgNP lerini elde etmek mümkündür. Ag tuzları ve bitki ekstratının karıştırılarak reaksiyon vermesi esasına dayanır. (Puiso ve ark.,2014) 10
Köri Mangostan Mango yaprağı Solucan otu meyvesi Hint fıstığı Tarçın yaprağı suyu Çay ekstratı Aloe vera Mantar ekstratı Bal Nişasta Şekil 3: Mangostan Meyvelerin Kraliçesi (Puiso ve ark.,2014, El-Rafie ve ark., 2011) 11
Ag Nanopartiküllerinin Karakterizasyonu UV-Vis spektrofotometresi TEM (geçirimli elektron mikroskobu) SEM (taramalı elektron mikroskobu) EDX analizi XRD (X ışınları kırınımı) FTIR (Fourier dönüşümlü kızılötesi) spektrofotometresi gibi cihaz ve analizlerle yapılmaktadır. 12
Ag Nanopartiküllerinin Antibakteriyel Etki Mekanizması Bakteriler üzerinde AgNP lerinin inhibisyon etkisini açıklamak için birçok mekanizma ileri sürülmüştür. Öne sürülen mekanizmalar, nanopartiküllerin bakterinin hücre duvarına tutunması ve dağılması esasına dayanır. (Dong ve ark., 2012, Puiso ve ark., 2014, Bindhu ve ark., 2015) 13
Ag Nanopartiküllerinin Antibakteriyel Etki Mekanizması Gümüşün sülfür ve fosfora karşı yüksek afinitesinin olmasının antimikrobiyal etkide anahtar rol oynadığı düşünülmektedir. AgNP leri hücre memranındaki sülfür içeren aminoasitlerle ve bakteri DNA sının fosfor yapısıyla reaksiyona girerek, Membranın bütünlüğünü bozar. DNA replikasyonunu inaktive eder. Enzim fonksiyonlarını inhibe eder. (Rai ve ark., 2011) Şekil 4: Gümüş iyonları 14
Ag Nanopartiküllerinin Antibakteriyel Etki Mekanizması Ag yüzeyinden salınan serbest radikaller Serbest radikallerin kontrol edilemeyen oluşumu ve dağılımımembran lipidlerini etkiler. Membran fonksiyonlarının yıkımına sebep olur. (Kim ve ark., 2007) 15
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki Antibakteriyel Etkiler Dong ve arkadaşları(2012) çalışmasında, küresel sitrat-agnp küresel boroksit-agnp küresel PVP-AgNP üçgen prizma şeklinde üçgensi-agnp sentezlenmiştir. Partikül boyutu küçüldükçe antibakteriyel etki artmıştır. 16
Şekil 5: TEM ile görüntülenen küre şeklindeki sitrat-agnp leri (Dong ve ark., 2012) 17
Şekil 6: TEM ile görüntülenen üçgen prizma şeklindeki AgNP leri (Dong ve ark., 2012) 18
Farklı yöntemlerle sentezlenen küresel AgNP lerin E.coli üzerindeki antibakteriyel etkileri Şekil 8: İnhibisyon Zonları, (a) sitrat-agnp (b) PVP-AgNP (c) boroksit-agnp (d) su (Dong ve ark., 2012) 19
Farklı şekillerdeki AgNP lerinin E.coli üzerindeki antibakteriyel etkileri Şekil 9: İnhibisyon Zonları, (a) küresel AgNP leri (boroksit-agnp)(b) üçgen prizma AgNP(c)su (Dong ve ark., 2012) 20
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki Antibakteriyel Etkiler Puiso ve çalışma arkadaşları (2014), kırmızı yaban mersini ve kızılcık kullanarak sentezledikleri AgNP lerinin antimikrobiyal aktivitelerini, Staphylococcus aureus Escherichia coli Salmonella typhimurium Bacillus subtilis Listeria monocytogenes Candida albicans Bacillus cereus Bacillus cereus (gıda kaynaklı) mikroorganizmaları üzerinde değerlendirmişlerdir. 21
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki Antibakteriyel Etkiler Puiso ve arkadaşlarının (2014) AgNP uygulamasına karşı, en hassas mikroorganizma Staphylococcus aureus en dirençli mikroorganizma Candida albicans ve gıda kaynaklı Bacillus cereus olduğu gözlemlenmiştir. 22
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki Antibakteriyel Etkiler Bindhu ve arkadaşları(2015) çalışmasında, kırmızıpancar kullanarak biyolojik yöntemle sentezledikleri AgNP lerini Escherichia coli Pseudomonas aeruginosa Staphylococcus aureus Streptococcus aureus mikroorganizmaları üzerinde uygulamışlardır. Şekil 10: Kırmızı pancar 23
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki Antibakteriyel Etkiler Şekil 11: İnhibisyon zonları, (a) E. coli, (b) P. aeruginosa, (c) Staphylococcus aureus, (d) Streptococcus aureus, (Bindhu ve ark., 2015) 24
Farklı Gıda Patojenleri Üzerindeki Antibakteriyel Etkiler Bakteri Oluşan İnhibisyon Zonu Çapı (mm) 5 µl 10 µl Escherichia coli Dirençli 7 Pseudomonas aeruginosa 10 11 Staphylococcus aureus 10 19 Streptococcus aureus 8 16 Şekil 12: Ag nanopartiküllerinin konsantrasyona bağlıolarak değişen antibakteriyel etkileri 25
AgNP lerinin bakterisidal özelliklerini etkileyen faktörler Ag nanopartiküllerinin boyutları küçüldükçe konsantrasyonu arttıkça kristal yüzey sayısı arttıkça antibakteriyel etkinlikleri artar. 26
Ag Nanopartiküllerinin Olumlu Özellikleri Gümüş nanopartikülleri, mevcut antimikrobiyal ajanlara potansiyel bir alternatif olarak görülmüş ve etkili bir antimikrobiyal ajan olduğu ispatlanmıştır. Mikroorganizmalar üzerine geniş yelpazede etkilidir. Bakteri Virüs Maya Küf 27
Ag Nanopartiküllerinin Olumlu Özellikleri Gıda ambalajlarında antimikrobiyal film olarak kullanılan en yaygın metal nanokompozitlerden biri metalik gümüştür. (Ahamed ve ark., 2010) Şekil 13: Aktif paketleme ile paketlenen gıda ürünleri 28
Ag Nanopartiküllerinin Olumsuz Özellikleri AgNP lerinin geniş kullanım alanlarından dolayı birçok şekilde insan vücuduna girip yayılma olasılığıvardır. Deri Solunum Tüketilen gıdalar Toprak Su (Rai ve ark., 2011, Golovina ve ark., 2013) 29
Ag Nanopartiküllerinin Olumsuz Özellikleri Ag nanopartiküllerinin birçok sektördeki geniş uygulamalarına karşın, toksikolojileri hakkında fazla bir bilgi yoktur. Ayrıca, AgNP lerine maruz kalma durumunda insan sağlığıve çevre üzerinde uzun dönemde ne gibi etkiler ortaya çıkaracağı da bilinmemektedir. (Ahamed ve ark., 2010) 30
SONUÇ Sentez koşulları optimize edilerek elde edilebilecek en yüksek antimikrobiyal etkiye sahip Ag nanopartikülleri gelecekte gıda sektöründe daha sık karşımıza çıkabilir. Ag nanopartiküllerinin gıda paketleme ile ilgili çalışmalarda kullanıldığıbilinmektedir; ancak gıdalara direkt eklenildiği bir çalışmaya rastlanılmamıştır. Gıdalarda kullanıldığı takdirde kısa ya da uzun vadede olumsuz etkilerinin de ortaya çıkabileceği dikkate alınmalıdır. 31
KAYNAKLAR 1. V, R.R. and J.B. A, Nanoparticles and their potential application as antimicrobials. 2011. 2. Shrivastava, S., et al., Characterization of enhanced antibacterial effects of novel silver nanoparticles. Nanotechnology, 2007. 18(22): p. 225103. 3. Polat, S. and H. Fenercioglu, Gıda Ambalajlamasında Nanoteknoloji Uygulamalar: İnorganik Partiküllerin Kullanımı. 2014: p. 187-194. 4.De Matteis, V., et al., Negligible particle-specific toxicity mechanism of silver nanoparticles: the role of Ag+ ion release in the cytosol.nanomedicine, 2015. 11(3): p. 731-9. 5.Van Dong, P., et al., Chemical synthesis and antibacterial activity of novel-shaped silver nanoparticles. International Nano Letters, 2012. 2(1): p. 9. 6. Puiso, J., et al., Biosynthesis of silver nanoparticles using lingonberry and cranberry juices and their antimicrobial activity. Colloids Surf B Biointerfaces, 2014. 121: p. 214-21. 32
KAYNAKLAR 7.El-Rafie, M.H., et al., Environmental synthesis of silver nanoparticles using hydroxypropyl starch and their characterization.carbohydrate Polymers, 2011. 86(2): p. 630-635. 8.Bindhu, M.R. and M. Umadevi, Antibacterial and catalytic activities of green synthesized silver nanoparticles. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc, 2015. 135: p. 373-8. 9.Kim, J.S., et al., Antimicrobial effects of silver nanoparticles.nanomedicine, 2007. 3(1): p. 95-101. 10. Torres, V., et al., Silver nanoprism coatings on optical glass substrates. Microelectronic Engineering, 2007. 84(5-8): p. 1665-1668. 11. Ahamed, M., M.S. Alsalhi, and M.K. Siddiqui, Silver nanoparticle applications and human health. Clin Chim Acta, 2010. 411(23-24): p. 1841-8. 12. Golovina, N.B. and L.M. Kustov, Toxicity of metal nanoparticles with a focus on silver. Mendeleev Communications, 2013. 23(2): p. 59-65. 33
DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜRLER 34