Introducción
La nanotecnología ha cobrado un auge sin precedentes debido al amplio campo de aplicación de las nanopartículas. En la biomédica, agricultura, industria de los alimentos, textil, química e ingeniería, los nanomateriales potencian el desarrollo y amplían los límites en estos diversos campos de la vida humana.1,2,3,4
La nanotecnología puede definirse como la ciencia en la aplicación de tecnologías para el control de la materia a escala nanométrica. En esta escala las propiedades del material son significativamente diferentes a las propiedades tanto de átomos y moléculas como del material macroscópico. El término también está relacionado con la habilidad para diseñar, caracterizar, producir y utilizar nanoestructuras, así como el uso de equipos y sistemas para controlar la forma y el tamaño de las nanopartículas.5
Con relación a sus dimensiones físicas, las nanopartículas son un tipo de estructura donde el tamaño de los clústeres de átomos que la forman está entre 1 y 100 nm. Sus propiedades derivan de la alta relación superficie-volumen, ya que, si el diámetro disminuye, el área superficial de la partícula aumenta y como consecuencia se produce un aumento en las propiedades originales del material.6,7 Para observarlas se requieren microscopios de alta resolución, como son el electrónico de barrido o el electrónico de transmisión. Se pueden encontrar nanopartículas formando parte de la ropa deportiva para evitar malos olores 8,9, en las cremas bloqueadoras de rayos ultravioletas 10, así como en la industria de la construcción 11 y la automotriz.12 Se emplean como catalizadores 13, como sensores 14 y para la administración de fármacos 15,16, entre otros usos.
El estudio de los diferentes métodos de síntesis de nanopartículas es un importante componente en el rápido desarrollo de las investigaciones en nanociencia y nanoingeniería. La síntesis de nanopartículas metálicas reviste una gran importancia en correspondencia con sus prometedoras aplicaciones, debido a sus propiedades optoelectrónicas, térmicas, magnéticas y su alta capacidad catalítica. Las nanopartículas metálicas son producidas a partir de diferentes tipos de metales como el oro, hierro, platino o de óxidos metálicos. Unas de las más usadas y caracterizadas son las sintetizadas a partir de iones de plata (AgNPs), debido a sus propiedades físicas (conductividad), químicas (estabilidad) y biológicas (actividad catalítica y antibacterial).17,18
Las nanopartículas de plata tienen una amplia gama de aplicaciones, las cuales dependen de su tamaño, forma y estabilidad.18 Su uso se encuentra enfocado en áreas como la biotecnología, bioingeniería, medicina, ingeniería textil, tratamiento del agua y productos de consumo a base de plata.19,20 Tienen un efecto bactericida, bacteriostático y fungicida, demostrado contra patógenos como Escherichia coli, Staphylococcus aureus y Shigella.19,21 El tamaño y la morfología son un aspecto esencial para su actividad antimicrobiana y se plantea que esta acción aumenta cuanto menor sea el tamaño de las nanopartículas.22
Los métodos de síntesis de nanopartículas se clasifican como top-down (métodos físicos, procesos de molienda) y como bottom-up (métodos químicos en disolución coloidal, procesos de formación de partículas a partir de una disolución). Los métodos top-down son aquellos que reducen el tamaño de agregación del material hasta llegar a un tamaño nanométrico con un consumo considerable de energía, mientras que los métodos bottom-up involucran la obtención de partículas de tamaño nanométrico partiendo de una dispersión molecular.6,23
Uno de los métodos más simples para la preparación de nanopartículas de plata es la reducción química. La formación se da principalmente cuando una sal de plata es reducida en presencia de un agente químico. Se forman átomos cerovalentes que actúan como centro de nucleación, dando lugar a un agrupamiento de átomos de mayor tamaño y formas poliédricas más complejas. Para evitar el aglomeramiento es necesario la adición de un agente estabilizante que se absorbe en la superficie de las nanopartículas.24
Muchos de los efectos adversos de las nanopartículas obtenidas por métodos químicos y físicos han sido asociados a la presencia de sustancias tóxicas absorbidas en su superficie.25 Por esta razón, la comunidad científica ha enfocado sus esfuerzos hacia la búsqueda de nuevas alternativas para síntesis de nanopartículas, que eviten efectos perjudiciales al entorno. Se ha considerado que la síntesis biológica representa una alternativa presumiblemente no tóxica y amigable con el medio ambiente, igualando e incluso sobrepasando las expectativas de las nanopartículas sintetizadas por los métodos tradicionales. Por tanto, se hace necesario el análisis de estos métodos con el objetivo de definir nuevas líneas de investigación y potenciar el uso de especies poco estudiadas para estos fines. En este trabajo se realiza un estudio del estado del arte sobre la síntesis biológica de nanopartículas de plata empleando bacterias, plantas y hongos, y en particular la especie Trichoderma.
Desarrollo
La síntesis biológica, síntesis verde o síntesis biogénica, es una técnica alternativa de bioproducción de material nanoparticulado junto con material metálico (oro, plata, hierro y óxidos metálicos) y se basa en la reducción mediante especies naturales con poder antioxidante. Esta busca ser amigable con el medioambiente, ya que la producción tradicional de nanopartículas utiliza materiales tóxicos como disolventes y surfactantes.26,27 Surgió como una alternativa a los métodos tradicionales y por su simplicidad tiene gran versatilidad en la obtención de varias formas y tamaños de un nanomaterial, dejando atrás los problemas típicos de los anteriores métodos que eran más costosos y no tenían escalabilidad de producción.28
La biorremediación, técnica en la cual las funciones naturales de las plantas son usadas para extraer y recuperar metales de suelos previamente contaminados con estos, fue empleada inicialmente para la síntesis verde, al descubrir que las plantas no solo acumulaban metales, sino que también los metales eran depositados como nanopartículas.29 Uno de los primeros reportes sobre el uso de la síntesis verde para producir nanopartículas de plata fue con plantas de alfalfa tratadas con nitrato de plata como fuente de iones de plata. El análisis de los tejidos reveló que nanopartículas con diámetros entre 2 y 20 nm se habían acumulado en las raíces y brotes de las plantas.30
Los microorganismos son capaces de transformar los iones inorgánicos metálicos en nanopartículas de metal por medio de las capacidades reductoras de los metabolitos y de las proteínas de estos (figura 1). La síntesis de las nanopartículas puede llevarse a cabo a nivel intra o extracelular.31 Algunas enzimas presentes en los microorganismos como las reductasas, son también responsables de la reducción de metales. La nucleación y crecimiento de estructuras inorgánicas son en su mayoría controlados por proteínas y otras biomacromoléculas.32
Durante la última década las nanopartículas de plata se han obtenido, a partir de síntesis biológica empleando bacterias, extractos de plantas y hongos. La síntesis empleando hongos está considerada una de las más significativas debido a su capacidad de tolerancia y acumulación del metal. Además, su biomasa es de fácil manejo, favoreciéndose sobre las bacterias y otros microorganismos.33
Síntesis biológica con extractos de plantas
En algunas plantas conocidas por sus propiedades antioxidantes se encuentran presentes metabolitos que tienen propiedades reductoras como los compuestos fenólicos, destacándose el ácido gálico, ácido benzoico y ácido cafeico, entre otros. Así, por ejemplo, se han obtenido nanopartículas de oro y plata a temperatura ambiente utilizando ácido gálico, un metabolito presente en algunos vegetales.34
El primer reporte de nanopartículas obtenidas a partir de plantas vivas fue publicado en 2002 y refiere que se podían formar nanopartículas de oro de 2 a 20 nm dentro de plantas de alfalfa (Medicago sativa).35) Posteriormente, se mostró que la alfalfa también podía formar nanopartículas de plata cuando era expuesta a un medio rico en iones de plata.36
De la síntesis mediante el uso de plantas se obtienen extractos con alto poder antioxidante. La reducción inicial de iones metálicos induce a la formación de centros de nucleación. Estos centros secuestran iones metálicos adicionales y también incorporan lugares vecinos de nucleación que conducen a la formación de nanopartículas. Además, como estas partículas están asociadas a restos orgánicos de los extractos de plantas, en ocasiones, se consigue estabilizar esas partículas de tamaño nanométrico e impedir que se agreguen.37
En la literatura se han reportado investigaciones acerca de la síntesis de nanopartículas de plata a partir de biomasa muerta.38 Estos extractos de plantas son particularmente atractivos, por la facilidad del manejo de estos medios reductores biológicos, aunque en ocasiones es necesario emplear agentes estabilizantes adicionales para evitar la aglomeración de las nanopartículas obtenidas. La tabla 1 muestra ejemplos de extractos de plantas empleadas para la síntesis de nanopartículas de plata.
Extracto de Planta | Morfología | Tamaño (nm) | Referencia |
Esférica | 5-11 | 37 | |
Esférica | 4-28 | 39 | |
Esférica | 100 | 40 | |
Esférica | 12-50 | 41 | |
Esférica | 50 | 42 | |
Esferoidal | 20-50 nm | 43 | |
Esférica | 15,4±7,9 nm | 44 | |
Cuasi-esférica | 10-28 nm | 45 |
Síntesis biológica con Bacterias
Las bacterias son consideradas como potenciales biosintetizadores de varios tipos de nanopartículas, y dicha cualidad se asocia directamente a la capacidad de algunas especies de ser resistentes al estrés oxidativo.46 Varios géneros bacterianos pueden sintetizar nanopartículas inorgánicas a través de rutas intra y extracelulares como las de oro, plata, platino, paladio, titanio, dióxido de titanio, magnetita y sulfato de cadmio, entre otras. Una de las vías de síntesis de nanopartículas bacterianas plantea que los metales en disolución, que se encuentran en el medio de crecimiento de algunas bacterias, pueden unirse al ión tiosulfato y este complejo metal-tiosulfato ingresa a la célula. Dentro del citoplasma bacteriano este complejo se disocia y el metal se reduce mediante enzimas intracelulares. Las nanopartículas obtenidas pueden ser transportadas hacia la superficie celular o al espacio periplasmático de las bacterias. Otro mecanismo explica que al entrar el complejo metal-tiosulfato a la célula, este es metabolizado y se obtiene como producto final de su metabolismo el ión hidrogenosulfato (HSO4 -), el cuál al ser liberado a través de los poros de la membrana externa, provoca la disminución de las condiciones redox alrededor de la célula, ocasionando la precipitación de los iones metálicos presentes en el medio y generando la síntesis extracelular de nanopartículas.47
Uno de los primeros estudios donde se reporta la síntesis de nanopartículas de plata por bacterias es en 1999 por Pseudomonas stutzeri AG259, aislada desde una mina de plata, la cual, al ser colocada en una disolución acuosa de nitrato de plata concentrado expresó una gran capacidad de reducción de iones de plata (Ag+), llegando a la formación de nanopartículas de tamaños homogéneos entre sí, y que se acumularon en el espacio periplásmico de la bacteria.48
Se han empleado con éxito los sobrenadantes de los cultivos de ciertas especies de bacterias como Klebsiella pneumonia, Escherichia coli y Enterobacter cloacae (Enterobacteriacae) para la síntesis de nanopartículas de plata al exponer iones de plata ante los extractos filtrados de estos microorganismos durante cinco minutos.49
La tabla 2 muestra ejemplos de bacterias que han sido utilizadas para la síntesis de nanopartículas de plata. Sin embargo, en los últimos años la tendencia en las investigaciones en esta temática es hacia la utilización de extractos de plantas y hongos debido a su mayor rendimiento y su fácil manejo.50,51
Bacteria | Morfología | Tamaño (nm) | Referencia |
Lactobacillus sp. | Triangular, hexagonal y otras | 20 - 50 | 52 |
Shewanella oneidensis | Esférica | 2 - 11 | 53 |
Pseudomonas antarctica | Esférica | 11,3 ± 6,5 | 54 |
Pseudomonas proteolytica | Esférica | 7,2 ± 2,4 | 54 |
Arthrobacter gangotriensis | Esférica | 5,9 ± 2,2 | 54 |
Pseudomonas mandelli | Esférica | 5,9 ± 3,2 | 55 |
Psychrobacter sp | Esférica | 22,2 - 35,3 | 56 |
Síntesis biológica a partir de hongos
Los hongos (levaduras y hongos filamentosos) pueden considerarse como “biofábricas” naturales para la biosíntesis de nanopartículas. Pueden acumular metales tanto intracelularmente, como sintetizarlos extracelularmente por mecanismos biológicos y fisicoquímicos. Tienen numerosas ventajas respecto a otros organismos para sintetizar nanopartículas, debido a que son fáciles de aislar y cultivar y secretan numerosas enzimas extracelulares. En la síntesis extracelular, las nanopartículas son más fáciles de obtener, mientras que en la intracelular son necesarios métodos más complejos para aislarlas, a partir de la biomasa fúngica.51
Aunque se ha demostrado el uso de hongos para producir nanopartículas metálicas de plata, oro y platino, la mayoría de los estudios se enfocan en la síntesis de nanopartículas de plata, las cuales han presentado amplia actividad antimicrobiana contra bacterias Gram negativas, Gram positivas y hongos patógenos de humanos y plantas 57, así como actividad citotóxica contra células cancerosas.58
Son numerosas las especies de hongos empleadas para la síntesis de nanopartículas metálicas pertenecientes a los Ascomicetes: Alternaria, Aspergillus, Cladosporium, Colletotrichum, Fusarium, Trichoderma, Trichothecium, Penicillium, Phoma, Verticillium. En menor medida se han usado basidiomicetes: Ganoderma lucidum, Pleurotus sajor caju, Volvariella speciosa.51 La tabla 3 resume algunos de los reportes de la síntesis de nanopartículas de plata empleando hongos.
Microorganismo | Morfología | Tamaño (nm) | Referencia |
Aspergillus terreus | Esférica | 1-20 | 59 |
Aspergillus conicus | Esférica | 6-12 | 60 |
Penicillium janthinellum | Esférica | 8-14 | 60 |
Phomopsis sp. | Hexagonal | 10-16 | 60 |
Curvularia lunata | Esférica | 10-50 | 61 |
Fusarium solani | Esférica | 5-30 | 62 |
Botrytis cinerea | Esférica | 34 | 57 |
Punctularia atropurpurascens | Esférica | 11-14 | 57,63 |
Trichoderma como reductor biológico
Trichoderma es un género fúngico de la rizosfera considerado simbionte oportunista de plantas, que es capaz de producir elicitores que inducen la defensa vegetal contra patógenos e insectos. Ayuda a la solubilización de fósforo, y propicia la síntesis de sustancias promotoras del crecimiento vegetal, mediante la producción de auxinas y giberelinas; también pueden producir ácidos orgánicos (glucónico, fumárico, y cítrico) que pueden disminuir el pH del suelo. Se ha caracterizado por su uso como bioinoculante y como agente de biocontrol, además de generar enzimas capaces de degradar residuos orgánicos sólidos.64Trichoderma spp. actúan afectando la pared celular de otros hongos, proceso que realiza mediante la hidrólisis enzimática, secretando enzimas hidrolíticas como proteasas, quitinasas, glucanasas, que hidrolizan la pared celular del hongo patógeno.65 Se emplea con éxito en diversos cultivos de importancia económica, por ejemplo, el de arroz, como bioplaguicida.66
Se desarrolla en diversos sustratos, lo cual facilita su producción masiva y la mayoría de los biopreparados se obtienen a base de las especies T. viride, T. virens, y en mayor proporción T. harzianum.64 Existen cuatro formas fundamentales de producción: cultivos bifásicos, fermentación en estado sólido, fermentación líquida estática y líquida agitada. Por lo general para la reproducción masiva de las cepas promisorias de Trichoderma spp. se utilizan métodos bifásicos, líquido-líquido y líquido-sólido. La bifásica es la más rápida, porque se produce el inóculo por fermentación líquida; que luego se usa para fermentar el sustrato sólido; además, está reportado que en medio líquido se producen sustancias promotoras del crecimiento de la planta como ácido indolacético, ácido giberélico, citoquininas y vitaminas.67
Este hongo ha sido considerado una fuente práctica de enzimas incluyendo aquellas utilizadas en el área alimenticia, tales como celulasas 68, glucanasas, xilanasas, pectinasas, y laminarinasas. Trichoderma atroviride, T. harzianum, y T. longibrachiatum pueden ser fuentes de producción de enzimas lacasas al degradar sustratos lignocelulósicos.64 En investigaciones realizadas con Phanerochaete chrysosporium y Trametes versicolor se ha demostrado que esta enzima es la responsable de la formación de nanopartículas de Au y Ag, respectivamente.69 Además, está reportado que las celulasas producidas por este hongo son las más eficientes para la degradación de sustratos celulósicos en monómeros de glucosa, por tanto, se considera a Trichoderma spp. como uno de los hongos más útiles en la producción de enzimas industriales, la agricultura y la biorremediación.67 La producción de más de 200 metabolitos secundarios diferentes, algunos de los cuales con actividad antibiótica y frecuentemente con la acción conjunta de actividades líticas, proporcionan un nivel de protección a enfermedades más elevado, comparado con el de cada uno de estos agentes actuando de forma individual.70
Uno de los primeros estudios realizados con diferentes especies del hongo Trichoderma para la síntesis de nanopartículas de plata fue en 2013 por Prameela-Devi y colaboradores, donde se evidenció la aplicación de T. asperellum, T. harzianum, T. longbrachiatum, T. pseudokoningii y T. virens. Se comprobó la producción de AgNPs extracelular al obtener un máximo de intensidad a los 420 nm en estudio de espectrofotometría UV-VIS, el que se corresponde con la resonancia plasmónica de las AgNPs. La síntesis se desarrolló en frascos de vidrio de 250 mL de capacidad; las variables fijas fueron pH = 8,5, temperatura = 40 °C y tiempo de reacción = 120 h. Se obtuvieron AgNPs de tamaños entre 8 y 60 nm y una morfología isotrópica. La solución mantuvo la estabilidad después de un mes, sin evidencia de agregación de partículas.71 En otras investigaciones más recientes se han empleado diferentes especies de este hongo (tabla 4).
A pesar del avance de la síntesis biogénica de AgNPs los estudios con la especie Trichoderma como mediadora en la obtención de nanopartículas son limitados, y aún no se tienen en cuenta cambios en los factores de síntesis para optimizar el proceso y lograr mejores resultados en cuanto a concentración y menor tiempo de reacción. Las nanopartículas de plata obtenidas en las investigaciones informadas en la tabla 4 presentan estabilidad luego de dos meses. Se reportan índices de polidispersidad de 0,2 a 0,4. Este índice es una medida de la heterogeneidad de la muestra basado en el tamaño de las partículas que la componen. Valores próximos a cero indican que la muestra es monodispersa y valores cercanos a la unidad indican la presencia de partículas de gran variedad de tamaños.77 Se reporta un efecto antimicrobiano y fungicida, al mostrar capacidad de control contra agentes patógenos como el hongo Sclerotia sclerotiorum, causante del moho blanco en la agricultura.73,76
Un factor importante a destacar es la toxicidad de las nanopartículas obtenidas, la cual depende de varios factores como el tamaño, la superficie específica, estado de aglomeración, forma, solubilidad y carga superficial. Las partículas esféricas son las que presentan menor toxicidad 75,78 y en investigaciones realizadas se ha demostrado que las nanopartículas biogénicas son menos tóxicas que las obtenidas por medios tradicionales.25,28 Esto puede deberse a la capa formada por compuestos orgánicos que cubren las nanopartículas y las estabilizan. Además, se observan bajos niveles de citotoxicidad y genotoxicidad en las AgNPs obtenidas con la especie T. harzianum73, posibilitando su uso en aplicaciones agrícolas.
Especies del hongo Trichoderma han sido empleadas en la actualidad para la síntesis de otras nanopartículas como las de selenio donde se estudiaron las condiciones óptimas evaluando los factores de pH, tiempo de inoculación y concentración.79 Para la síntesis de nanopartículas de plata se desconocen los parámetros óptimos en cuanto a temperatura, pH, concentración, inoculación del medio reductor biológico y otros factores; esto abre el campo a futuras investigaciones con esta especie, potenciando su uso en la obtención de una metodología para una producción sustentable y a mayor escala.
En Cuba se aplica Trichoderma en los sistemas de cultivo abierto protegidos y semiprotegidos y son las más empleados en el Manejo Integral de Plagas (MIP) en cultivos de importancia económica.80 La especie de mayor producción y utilización es Trichoderma harzianum, en cuyas formulaciones solo se utilizan las esporas. Los metabolitos secundarios y enzimas producidos en la fermentación pueden utilizarse en nanotecnología como agentes reductores biológicos.
El sector biomédico cubano es el principal impulsor del desarrollo de las nanotecnologías creciendo el interés en actividades de investigación en áreas como los bionanomateriales, la liberación dirigida de fármacos y los bionanosensores, con resultados alentadores. Los bionanomateriales muestran resultados con productos de regeneración tisular, cementos óseos, y liberación dirigida de proteínas.
En el área de la liberación controlada de drogas, se muestran diferentes plataformas basadas en novedosas tecnologías como los fluidos súper críticos y la pegilación, así como con las nanopartículas ferromagnéticas y metálicas donde la cantidad y calidad de los trabajos es atractiva.81 En el área de la síntesis de las nanopartículas los métodos de reducción química son los más empleados y aún no se ha explotado lo suficiente el desarrollo de metodologías para la producción de nanomateriales empleando métodos biológicos, los cuales representan un campo prometedor en el desarrollo sostenible de la nanotecnología.
Conclusiones
Los métodos biológicos para la síntesis de nanopartículas de plata a partir de extractos de plantas y hongos son métodos amigables con el medio ambiente y con posibilidades para el escalado industrial. Los hongos destacan como mediadores en la síntesis por su capacidad de asimilación del metal, variedad de especies y facilidad de manejo y producción. Las nanopartículas de plata producidas con Trichoderma presentan morfología esférica, gran uniformidad, una distribución de tamaño entre 6-60 nm y estabilidad. Se precisa de una metodología que permita definir los parámetros óptimos para la obtención de nanopartículas de plata con el empleo de Trichoderma harzianum dado que es la especie de mayor producción y utilización para el control biológico en Cuba