Gıda, tekstil, ilaç, su dezenfeksiyonu ve gıda paketleme gibi farklı sektörlerde mikrobiyal saldırı insidansı, yeni antimikrobiyal madde arayışında sürekli bir eğilime yol açmaktadır. Bazı bakterilerin bazı antibiyotiklere karşı artan direnci ve bazı organik antimikrobiyal maddelerin insan vücuduna olan toksisitesi, inorganik antimikrobiyal maddelerin geliştirilmesine olan ilgiyi artırmıştır.
Bu bileşikler arasında metal ve metal oksit bileşikleri, geniş spektrumlu antibakteriyel aktiviteleri nedeniyle önemli ilgi görmüştür. Öte yandan nano ölçekli malzemeler, yüzey alanı/hacim oranlarının yüksek olması nedeniyle artan özellikleri sayesinde iyi bilinmektedir. Antimikrobiyal NP’ler, yığın özelliklerinden mükemmel ve farklı aktiviteler göstermiştir.
Son yıllarda, çinko oksit (ZnO), manganez oksit (MgO), titanyum dioksit (TiO 2) ve demir oksit (Fe 2 O 3) gibi metal oksit nanopartiküller, biyolojik uygulamalar. Metal oksit antimikrobiyal maddeler arasında TiO 2,değerli bir yarı iletken geçiş metal oksit malzemesidir ve kolay kontrol, düşük maliyet, toksisite ve kimyasal erozyona karşı iyi direnç gibi optiklerde, güneş pillerinde uygulanmasına izin veren özel özellikler gösterir. 
Genel olarak TiO 2 nanopartiküller (TiO 2NP’ler) geniş yüzey alanı, mükemmel yüzey morfolojisi ve doğada toksik olmama özelliği gösterir. Birkaç yazar, TiO 2 NP’lerin, bakteriyel kontaminasyona karşı mükemmel biyo-ilişkili aktivite sergileyen fotokatalitik antimikrobiyal aktiviteleri sayesinde en çok çalışılan NP’lerden biri olduğunu bildirmiştir.
Nanopartiküllerin antimikrobiyal aktivitesi morfolojileri, boyutları, kimyaları, kaynakları ve nanoyapıları gibi birçok iç faktörden oldukça etkilenir. Spesifik olarak, TiO 2 NP’lerin antimikrobiyal aktivitesi, büyük ölçüde morfolojik, yapısal ve dokusal özelliklerine bağlı olan TiO 2’nin fotokatalitik performansına bağlıdır. Farklı sentez yöntemleriyle birkaç TiO 2 NP geliştirilmiştir. Spesifik olarak, bu bölümde, doğal bitki özleri ve TiO 2 ile sonuçlanan mikroorganizmalardan metabolitler gibi biyolojik kaynaklara dayalı çevre dostu sentezFarklı boyut, şekil, morfoloji ve kristal yapılara sahip NP’ler sunulacaktır.
Titanyum dioksit, amorf ve kristalin formlar üretir ve esas olarak üç kristalin polimorfozda meydana gelebilir: anataz, rutil ve brookit. Sentez üzerine yapılan çalışmalar, TiO 2 NP’lerin kristal yapısının ve morfolojisinin hidrotermal sıcaklıklar, asitlerin başlangıç konsantrasyonu vb. Gibi proses parametrelerinden etkilendiğini belirtmiştir. TiO 2 NP’lerin kristal yapıları ve şekli, fizikokimyasal özelliklerini ve dolayısıyla antimikrobiyal özelliklerini etkileyen en önemli özelliklerdir.
Kristal yapılarla ilgili olarak, anataz en yüksek fotokatalitik ve antimikrobiyal aktiviteyi sunar. Bazı çalışmalar, anataz yapısının bir fotokatalitik reaksiyonda OH radikalleri üretebileceğini ve aşağıda açıkça açıklanacağı üzere bakteri duvarı ve zarlarının ölümcül şekilde etkilenebileceğini göstermiştir
TiO 2 NP’lerin Bakterilere Karşı Antimikrobiyal Mekanizmasını Anlama
Titanyum dioksit nanopartiküller (TiO 2 NP’ler), bakteri öldürücü fotokatalitik aktivite, güvenlik ve kendi kendini temizleme özellikleri gibi özel yetenekleri nedeniyle antimikrobiyal uygulamalar alanında en çok çalışılan malzemelerden biridir. TiO 2’nin antimikrobiyal etkisine atıfta bulunulan mekanizma , genellikle bant aralığı ışınlama foto-indükleri altında üretilen yüksek oksidatif potansiyele sahip reaktif oksijen türleri (ROS) ile O 2 varlığında yükü indükler.
ROS, bakteri hücrelerini ölümlerine yol açan farklı mekanizmalarla etkiler. Mikroorganizmalara (Gram-negatif ve Gram-pozitif bakteri ve mantarlar) karşı geniş spektrum aktivitesine sahip antimikrobiyal maddeler, geleneksel antibiyotik sahasına özgü tarafından üretilen MDR’nin (çoklu ilaç direnci) üstesinden gelmek için özellikle önemlidir.
TiO 2’nin ana fotokatalitik özelliği, 385 nm veya daha düşük dalga boyuna sahip UV-A ışığı altında yüksek enerjili elektron-delik çifti oluşumunu tetikleyebilen 3,2 eV’lik geniş bir bant aralığıdır. Yukarıda dökme toz için bahsedildiği gibi TiO 2 NP’ler, nano ölçekte olma avantajı ile ROS üretimine dayanan aynı mekanizmaya sahiptir. Bu nano ölçekli doğa, ortam suyu ve oksijenle maksimum temas sağlayan yüzey alanı-hacim oranında önemli bir artışa ve hücre duvarına ve hücre zarına kolayca nüfuz ederek hücre içi oksidatifin artmasını sağlayan minimum bir boyuta işaret eder.
Bakteriler lipid peroksidasyonu ya da O-tekli ve OH ROS radikallerin etkilerini inhibe askorbik asit, karoten ve tokoferol gibi doğal antioksidanlar, ek olarak katalazlar ve süperoksit dismutaz gibi enzimatik antioksidan savunma sistemleri vardır. Bu sistemler aşıldığında, bir dizi redoks reaksiyonu, farklı temel yapıların (hücre duvarı, hücre zarı, DNA, vb.) Ve metabolizma yollarının değişmesiyle ölüm hücresine yol açabilir. Aşağıdaki bölümlerde, TiO 2 NP’lerin varlığında hücresel yapıların etkilendiği çeşitli yollar açıklanacaktır. 
Bakterilerin TiO’ya genom tepkilerini anlamak için 2’ye-fotokataliz, mikroorganizmanın savunma ve onarım mekanizmasını kodlayan genlerin ekspresyonu ile ilgili bazı biyolojik yaklaşımlar aşağıda açıklanacaktır. Farklı mekanizmalar ve TiO antimikrobiyal aktivite işlemleri 2 NP küresel Şema olarak temsil edilir.
Hücre Duvarı
ROS, birçok organik mikroorganizma yapısının oksidasyonundan kaynaklanan hasardan sorumludur. Bunlardan biri, çevreden gelecek herhangi bir yaralanmaya karşı ilk savunma bariyeri olan ve dolayısıyla oksidatif hasardan ilk etkilenen hücre duvarıdır. Mikroorganizmanın türüne bağlı olarak, hücre duvarı farklı bir bileşime sahip olacaktır; yani mantar ve mayada hücre duvarları esas olarak kitin ve polisakkaritlerden oluşur. Gram-pozitif bakteriler birçok peptidoglikan ve teikoik asit tabakası içerir ve Gram-negatif bakteriler ikincil bir lipidle çevrili ince bir peptidoglikan tabakası sunar. membran transmembran lipopolisakkaritler ve lipoproteinler ile güçlendirilmiş membran Böylece TiO 2’nin etkisi NP’ler, mikroorganizma türüne bağlı olarak biraz farklı olacaktır.
Pichia pastoris’teki (maya) hücre duvarının bileşiminin TiO 2 varlığında değiştiği ve ROS etkilerine yanıt olarak kitin içeriğini artırdığı çalışılmıştır. Escherichia coli’nin (Gram-negatif) lipo-polisakkarit, fosfatidil-etanolamin ve peptidoglikandan oluşan hücre duvarının TiO 2’nin neden olduğu peroksidasyona duyarlı olduğu bildirilmiştir. Hasar, lipid peroksidasyonunun bir biyobelirteci olan malondialdehit (MDA) üretimini değerlendirerek veya hücre kültürünün süpernatantının ATR-FTIR’i aracılığıyla ölçülebilir; bu, dış zardaki porin ve proteinlerin etkilendiğini kanıtlar.
Bu muhtemelen TiO 2 yüzeyine daha fazla maruz kalmanın bir sonucu olarak ortaya çıkmaktadır. Mantarlarda OH˙ salınımı, hücre duvarını oluşturan polisakkaritlerin şeker alt birimlerinden hidrojen atomlarını yakaladı ve polisakkarit zincirinin bölünmesine ve hücre membranının açığa çıkmasına yol açtı. Genetik sorunlar açısından bakteri, lipopolisakkarit ve peptidoglikan metabolizmasında yer alan proteinleri kodlayan belirli genlerin düzey ifadesini değiştirdiğine, pilus biyosentezine ve TiO’ya maruz kaldıktan sonra daha düşük ifade edilen hücre duvarıyla ilgili protein yerleştirilmesine dair kanıtlar vardır.
Hücre Zarı
Antibiyotiklerin çoğunun ikinci olağan hücresel hedefi, hücreye sert olmayan bir örtü, geçirgenlik ve koruma sağlayan esas olarak fosfolipidlerden oluşan hücre zarıdır. TiO 2 NP’ler ile yapılan çalışmaların çoğu, ROS gibi hidroksil radikalleri ve hidrojen peroksit nedeniyle fosfolipidlerin oksidasyonundan kaynaklanan membran bütünlüğü kaybına odaklanmıştır , bu da membran akışkanlığında bir artışa, hücresel sızıntıya içerik ve nihayetinde hücre lizizdir.
Gram-pozitif bakteriler, birçok peptidoglikan tabakası tarafından korunan tek bir zar içerirken, Gram-negatif bakteriler, iç ve dış olmak üzere iki zardan ve aralarında ince bir peptidoglikan tabakasından oluşur. Dış zar açığa çıkar, bu nedenle, Gram-pozitif bakterilerde olduğu gibi peptidoglikan koruyucu kılıfın olmaması nedeniyle mekanik kırılmaya daha yatkındır. Bazı çalışmalar TiO 2 NP’lerin Gram pozitif bakterilere karşı daha iyi bir antimikrobiyal performans sergilediğini gösterirken, diğerleri Gram negatif bakterilerin daha dirençli olduğunu bildirmiştir. Bakteriyel inaktivasyon etkinliğinin esas olarak hücre duvarı yapılarının direnç kapasitesine ve ROS üretiminin hasar düzeyine bağlı olduğu sonucuna varılabilir.
Daha önce görülen hücre duvarı ile ilgili genlerin daha düşük ekspresyonunun tersine, hücre zarı yapısı için gerekli olan lipit metabolizmasında yer alan enzimleri kodlayan genlerin ekspresyon seviyesi aşırı eksprese edilir. Hücrelerin, ROS tarafından üretilen oksidasyona karşı destek sağlayacak şekilde ikinci savunma bariyeri olan hücre zarını güçlendirerek ilk hücre duvarı hasarını telafi ettiği sonucuna varılır.
Mantarlarda biyosidal etki pek farklı değildir. TiO 2 NP’lerin ve UV ışığının varlığında, hidroksil radikalleri, hidrojen peroksit ve süperoksit anyonları başlangıçta membranın oksidasyonunu teşvik ederek hücre geçirgenliğinde dengesizliğe, hatta hücre duvarlarının ayrışmasına yol açar. Bu oksidasyon, mitokondride hücre içi zarları etkileyerek hücre solunumunu engelleyebilir. Çalışmalar, Penicillium expansum üzerinde biyosidal etkiler olduğunu göstermiştir , ancak diğer suşlar üzerinde hala araştırmalar vardır. TiO nispeten iyi çalışılmış ilk lipoperoksidasyon saldırı ötesinde 2 mikroorganizmanın dış ve iç hücre membranında NP, belirli mekanizmalar hala çözülmüş halde amaçlanmıştır.
Solunum Zincirinin Engellenmesi
Oksidatif hasar, lipid yapıları nedeniyle hücre zarlarının lipoperoksidasyonunu oluşturduğundan, çift membranlı mitokondride yer alan solunum zinciri de etkilenir. Bu organel, aerobik metabolizmada doğal bir ROS kaynağıdır çünkü elektron transfer solunum zinciri sürecinde süperoksit anyonları üretilir. Mitokondri, süperoksit dismutaz (SOD) ile H 2 O 2’ye ve son olarak da glutatyon peroksidaz ve katalaz ile suya dönüştürerek bu gerçeği kontrol edebilir. TiO 2 varlığıNP’ler, bu enzimatik savunma mekanizmasının hasarı azaltamayacağı seviyelerde ROS üretimini arttırır, mitokondriyal solunum zinciri yoluyla elektron transferindeki bir düzensizlik bile ROS oluşumunda bir artış anlamına gelir.
Genetik yaklaşımlar, mitokondride enerji üretimi ile ilgili genlerdeki seviye ifadesindeki değişikliklerin, ubikuinol koenzim yoluyla oksijeni almak için en verimli yola öncelik verdiğini göstermiştir. Bu koenzim, elektron alışverişi için daha yüksek bir kapasite sunarken, koenzimden bağımsız oksijen alım yolları daha düşük seviyede ifade edildi.
DNA
DNA’daki moleküler düzeydeki hasar, tüm düzenleyici mikroorganizma metabolizmasını, replikasyonunu, transkripsiyonunu ve hücre bölünmesini etkiler. DNA oksidatif hasara özellikle duyarlıdır çünkü Fenton reaksiyonu tarafından üretilen oksijen radikalleri, özellikle OHases , şeker-fosfata veya nükleobazlara saldırabilir ve iplik kopmasını hedefleyen sakkarit parçalanmasına neden olabilir.
DNA zinciri modifikasyonları, baz modifikasyonlarından (dakik mutasyon) daha öldürücüdür. Mitokondriyal DNA, oksidatif hasara karşı nükleer DNA’dan daha savunmasızdır çünkü majör bir hücresel ROS kaynağına daha yakındır. Enzimatik detoksifikasyon sisteminin (SOD, glutatyon ve katalaz) yanı sıra, DNA yaralanmaları, post-translasyonel modifikasyon, protein dönüşü, şaperonlar (katlanmayla ilgili), DNA replikasyonu ve onarımı ile ilgili bir dizi yapı tarafından kapsanmaktadır.
Demir ve İnorganik Fsfatın (Pi) Asimilasyonu ve Taşınması
Demir, hücre büyümesi ve hayatta kalması için gerekli bir iyondur, ancak homeostatik düzenlemede bazı arızalar meydana gelirse (yani, ROS üreten Fenton reaksiyonu) potansiyel olarak toksik hale gelebilir. Bakteriler, fizyolojik bir aralıkta tutmak için demir konsantrasyonunu düzenleyebilir. Bu düzenleme, siderofor sentezi ve demir taşıma proteini ile ilgili kodlama genleri TiO 2 NP’lerin varlığında önemli ölçüde daha düşük eksprese edilen hücrede demirin aktif taşınmasına doğrudan sideroforları içerir. Bu da onu asimile etme ve taşıma yeteneğini azaltır ve hücre ölümüne neden olur.
Homeostaz regülasyonunun kaybı, TiO 2’nin varlığını ortaya çıkaran ICP-MS analizi ile doğrulandı. NP’ler , hücre canlılığı ile doğru orantılı olarak, Pseudomonas brassicacearum’da hücresel demir seviyesini önemli ölçüde azaltmıştır. Pi grubu (PO 4) alımı ile ilgili işlevlerle ilgili olarak , Pho regulon’da bulunan gen setinin ekspresyonunda, kontrole kıyasla önemli ölçüde daha düşük olan önemli farklılıklar bulunmuştur. Pho regulon bakteri, maya, bitkiler ve hayvanlarda inorganik fosfatın asimilasyonuyla ilgili, yalnızca doğada bulunan ve beslenmeyle ilgili çapraz konuşma, ikincil metabolit üretimi ve patogenez için gerekli olan bir düzenleyici ağdır.
Bu, mikroorganizmaların TiO 2 NP’lerin varlığında fosfor alımı ve metabolizması açısından oldukça yetersiz olduğunu göstermiştir. Pho regulon’un biyofilm sentez kapasitesini ve patojenitesini düzenlediği de belirtilmelidir.
Hücreden Hücreye İletişim![Titanyum Dioksit Nanopartiküllerinin Antimikrobiyal Etkisi]()
TiO 2 NP’ler, hücre sinyal yollarının bileşenlerini doğrudan okside edebilir ve hatta transkripsiyon faktörlerine müdahale ederek gen ekspresyonunu değiştirebilir. Lipopolisakkaridi bağlayan, hücre duvarını stabilize eden ve oksidatif hasara karşı koruyan sinyal moleküllerinin biyosentez yolaklarındaki TiO 2 NP’lerin etkileşimini doğrulayan kanıtlar vardır. Ayrıca, patogenez ve biyofilm gelişimi gibi fonksiyonlarla ilgili yetersayı algılayan sinyal molekülünün sentezinde önemli bir azalma gözlendi. Bu, TiO 2 varlığında bakteri (P. aeruginosa) üremesinin Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) görüntüleri ile doğrulanmıştır.UV ışınlaması olmayan NP’ler. Hücreler, hücrelerin esas olarak yanal temasla kümelendiği NP’ler içermeyen kontrollerle karşılaştırıldığında, substratta esas olarak kümelenmemiş ve dağılmış görünmektedir. Bu, TiO 2 NP’lerin sadece mikroorganizmaları oksidatif hasarla değil, aynı zamanda patojeniteyi doğrudan etkileyen bakteri agregasyonu ve biyofilm oluşumunu da etkilediğini ileri sürmektedir.
Bitki ve yosun ROS H stres cevabı kontrol transkripsiyon faktörünün işleminde ara maddeler sinyal olarak hareket edebilir 2 O 2, direkt olarak peroksitler ile peroksidaz bir GSH ile aktive edilir. Ancak bu alanda hala araştırma eksikliği vardır.
TiO 2 NP’lerin morfolojisinin ve kristal yapısının kontrolü, antimikrobiyal aktivitelerini artırmak için en önemli faktördür. Şekillendirilmiş nanopartiküller tarafından verilen istenen yüzey özelliklerine dayalı uygun tasarım, aynı zamanda bakteri türüne de bağlı olan etkinliği artırabilir. TiO 2 NP’lerin sentez yolu da önemli bir faktördür. Son çalışmalar, temelde bitki bazlı bileşiklere ve bakteri ve mantar gibi mikroorganizmalara dayanan daha çevre dostu sentez yöntemlerini ortaya çıkarmıştır. Antibiyotiğe dirençli suşlar dahil olmak üzere Gram pozitif ve Gram negatif bakterilere karşı farklı TiO 2 NP’lerin antimikrobiyal aktivitesi farklı çalışmalarda doğrulanmıştır.
Antimikrobiyal mekanizmaları üzerinde spesifik çalışmalar fotokatalitik TiO maruz mikroorganizma kanıtlamaktadır 2 NP asimile ve nakil demir ve fosfor yeteneği hücre düzenleyici ağda inaktivasyonu ve sinyal seviyeleri, solunum zinciri aktivitesinde önemli bir azalma ve inhibisyon sergiledi. Geniş hücre duvarı ve zar değişiklikleri içeren bu işlemler, TiO 2 NP’lerin biyosidal aktivitesini açıklayan ana faktörlerdir .
Kaynakça:
https://www.researchgate.net/publication/339065432_Antimicrobial_Effect_of_Titanium_Dioxide_Nanoparticles
https://www.nature.com/articles/s41598-019-54025-0
Yazar: Özlem Güvenç Ağaoğlu