Влияние производных графена на биопленкообразование Candida maltosa

Производные графена (оксид и его восстановленная форма) – перспективные углеродные наноматериалы (УНМ), используемые в промышленности, электронике, медицине и биотехнологии. Целью настоящей работы стало изучение влияния оксида графена (ОГ) и его восстановленной формы (вОГ) на формирование и разрушение биопленок Candida maltosa ВКПМ Y-194, а также на метаболическую активность, содержание внутриклеточного АТФ и проницаемость цитоплазматической мембраны клеток биопленок. Установлено, что ОГ и вОГ незначительно подавляют биопленкообразование дрожжей, причем снижение биомассы биопленки при росте в присутствии ОГ достоверно больше, чем при росте клеток с вОГ. Разрушение зрелых 7-суточных биопленок дрожжей незначительно больше в присутствии УНМ, чем в контроле, и достоверно больше, чем 3-суточных биопленок под воздействием УНМ. При этом метаболическая активность клеток биопленок, оцененная по восстановлению соли тетразолия (реактив methyl thiazolyl tetrazolium), достоверно выше контроля у 3-суточных биопленок, выращенных на питательной среде с вОГ, и у 7-суточных биопленок с ОГ и вОГ. Содержание внутриклеточного АТФ в биопленках, выращенных в присутствии УНМ, превышало таковое в контроле, но было ниже после 4 ч влияния на зрелые биопленки, выращенные на питательной среде без УНМ. Наибольшее негативное влияние на цитоплазматическую мембрану клеток биопленок, которое выражалось в увеличении ее проницаемости, оказывал ОГ при 4 ч воздействии на 7-суточную биопленку. Установлено, что негативное влияние УНМ на биопленки C. maltosa ВКПМ Y-194 более выражено при воздействии ОГ, чем вОГ, и выше при воздействии на 7-суточные биопленки, чем на 3-суточные биопленки. Полного ингибирования биопленкообразования и полной эрадикации зрелых биопленок под воздействием УНМ не наблюдали.

1. Bhatt S., Punetha V.D., Pathak R., Punetha M. Graphene in nanomedicine: A review on nano-bio factors and antibacterial activity. Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2023;226:113323.

2. Awogbemi O., Kallon D.V.V. Recent advances in the application of nanomaterials for improved biodiesel, biogas, biohydrogen, and bioethanol production. Fuel. 2024;358(Pt. B):130261.

3. Xia M.-Y., Xie Y., Yu C.-H., Chen G.-Y., Li Y.-H., Zhang T., Peng Q. Graphene-based nanomaterials: the promising active agents for antibiotics-independent antibacterial applications. J. Control. Release. 2019;307:16–31.

4. Ibukun A.E., Yahaya N., Mohamed A.H., Semail N.-F., Hamid M.A.A., Zain N.N.M., Kamaruddin M.A., Loh S.H., Kamaruzaman S. Recent developments in synthesis and characterisation of graphene oxide modified with deep eutectic solvents for dispersive and magnetic solid-phase extractions. Microchem. J. 2024;199:110111.

5. Flemming H.-C., Wingender J. The biofilm matrix. Nat. Rev. Microbiol. 2010;8(9):623–633.

6. Lundqvist M., Stigler J., Elia G., Dawson K.A. Nanoparticle size and surface properties determine the protein corona with possible implications for biological impacts. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2008;105(38):14265–14270.

7. Cui F., Li T., Wang D., Yi S., Li J., Li X. Recent advances in carbon-based nanomaterials for combating bacterial biofilm-associated infections. J. Hazard. Mater. 2022;431:128597.

8. Maksimova Yu.G., Zorina A.S. Antibiofilm and probiofilm effects of nanomaterials on microorganisms (Review). Appl. Biochem. Microbiol. (Mosc.). 2024;60(1):1–16.

9. Seifi T., Kamali A.R. Anti-pathogenic activity of graphene nanomaterials: A review. Colloids Surf. B: Biointerfaces. 2021;199:111509.

10. Shankar K., Agarwal S., Mishra S., Bhatnagar P., Siddiqui S., Abrar I. A review on antimicrobial mechanism and applications of graphene-based materials. Biomater. Adv. 2023;150:213440.

11. Hadidi N.; Mohebbi M. Anti-Infective and toxicity properties of carbon based materials: graphene and functionalized carbon nanotubes. Microorganisms. 2022;10(12):2439.

12. Akhavan O., Ghaderi E. Toxicity of graphene and graphene oxide nanowalls against bacteria. ACS Nano. 2010;4(10):5731–5736.

13. Dey N., Vickram S., Thanigaivel S., Kamatchi C., Subbaiya R., Karmegam N., Govarthanan M. Graphene materials: Armor against nosocomial infections and biofilm formation – A review. Environ. Res. 2022;214(Pt. 2):113867.

14. Guo Z., Xie C., Zhang P., Zhang J., Wang G., He X., Ma Y., Zhao B., Zhang Z. Toxicity and transformation of graphene oxide and reduced graphene oxide in bacteria biofilm. Sci. Total Environ. 2017;580:1300–1308.

15. Saeed S.I., Vivian L., Salma C.W., Zalati C.W., Sani N.I.M., Aklilu E., Mohamad M., Noor A.M., Muthoosamy K., Kamaruzzaman N.F. Antimicrobial activities of graphene oxide against biofilm and intracellular Staphylococcus aureus isolated from bovine mastitis. BMC Vet. Res. 2023;19(1):10.

16. Shahnaz T., Hayder G. Exploring graphene’s antibacterial potential for advanced and sustainable solutions in water treatment. J. Water Process Eng. 2023;56:104530.

17. Zhang X., Li Y., Zhang K., Yin Y., Wang J., Wang L., Wang Z., Zhang R., Wang H., Zhang Z. Graphene oxide affects bacteriophage infection of bacteria by promoting the formation of biofilms. Sci. Total Environ. 2023;880:163027.

18. Liao Y., Li S., Ji G. Graphene oxide stimulated low-temperature denitrification activity of microbial communities in lake sediments by enhancing anabolism and inhibiting cellular respiration. Chemosphere. 2024;350:141090.

19. Park S., Kang S.-E., Kim S.-J., Kim J. Grapheneencapsulated yeast cells in harsh conditions. Fungal Biol. 2023;127(10–11):1389–1396.

20. Agarwalla S.V., Ellepola K., Sorokin V., Ihsan M., Silikas N., Neto A.C., Seneviratne C.J., Rosa V. Antimicrobial-free graphene nanocoating decreases fungal yeast-tohyphal switching and maturation of cross-kingdom biofilms containing clinical and antibiotic-resistant bacteria. Biomater. Biosyst. 2022;8:100069.

21. Shirshahi V., Saedi M., Nikbakht M., Mirzaii M. Unveiling the antimicrobial potential of oxidized graphene derivatives: Promising materials for advanced wound dressings and antibacterial surfaces. J. Drug Delivery Sci. Technol. 2023;88:104949.

22. Zvonarev A., Farofonova V., Kulakovskaya E., Kulakovskaya T., Machulin A., Sokolov S., Dmitriev V. Changes in cell wall structure and protein set in Candida maltosa grown on hexadecane. Folia Microbiol. (Praha). 2021;66(2):247–253.

23. Патент РФ 2114174 С1 Кузнецов П.А., Авчиева П.Б. Консорциум дрожжей Candida maltosa для биодеградации нефтезагрязнений. 1998.

24. Hammer Ø., Harper D.A.T., Ryan P.D. PAST: Paleontological Statistics Software Package for Education and Data Analysis. Palaeontologia Electronica. 2001;4(1):4.

25. Alonso V.P.P., Lemos J.G., do Nascimento M. da S. Yeast biofilms on abiotic surfaces: Adhesion factors and control methods. Int. J. Food Microbiol. 2023;400:110265.

26. Калебина Т.С., Кулаев И.С. Роль белков в формировании молекулярной структуры клеточной стенки дрожжей. Успехи биологической химии. 2001;41:105–130.