Substancje wytwarzane przez grzyby mogą zanieczyszczać żywność i negatywnie wpływać na organizmy zwierząt. Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie mają pomysł jak je zniszczyć, wykorzystując do tego naturalnie występujące minerały.
Wciąż do końca nie wiadomo, jakie korzyści czerpią grzyby z produkcji toksyn. Na podstawie dotychczasowych ustaleń można sądzić, że same na tym tracą, gdyż w trakcie tego procesu ich struktura w pewnym stopniu się degraduje. Mykotoksyny, jak nazywa się grupę szkodliwych związków produkowanych przez grzyby, mają też negatywny wpływ na zwierzęta. Jeśli dostaną się do ich organizmów, choćby z zanieczyszczoną paszą (jak zboże czy kukurydza), mogą wywołać szereg niepożądanych skutków, np. wśród kur może dochodzić wówczas do zmniejszenia tempa nabierania masy. Stanowi to duży problem dla hodowców na obszarach, na których panuje duża wilgotność i wysoka temperatura, ponieważ to warunki sprzyjające rozwojowi grzybów.
Rozwiązania tego problemu, czyli efektywnego sposobu na usuwanie mykotoksyn, poszukiwali m.in. naukowcy z Texas A&M University (USA). Udało się im wykazać, że niektóre mykotoksyny, jak aflatoksyny, mogą zostać zaadsorbowane, czyli wchłonięte, przez wybrane surowce naturalne, np. bentonity. Dodanie ich do paszy spożywanej przez zwierzęta może zatem uchronić je przed negatywnym wpływem toksyn na ich organizm. Radzenie sobie z toksycznymi substancjami w ten sposób ma jednak swoje wady.
Naturalne wspomaganie
Przede wszystkim, liczba typów mykotoksyn, z którymi reagują minerały, jest ograniczona. Nie do końca zadowalający jest też sam mechanizm – pochłanianie mykotoksyn przez substancje mineralne wcale nie oznacza, że zostają one pozbawione swoich toksycznych właściwości. Pochłonięta cząsteczka nadal funkcjonuje jako cząsteczka szkodliwa, więc w procesie trawienia mogą zachodzić przemiany, które niekorzystnie wpłyną na zdrowie narażonych na nią osobników. Dlatego w Akademii Górniczo-Hutniczej testowana jest metoda, która pozwoli nie tylko na neutralizację toksyn, ale na ich całkowite zniszczenie – czyli rozbicie na proste, nieszkodliwe związki.
Chcemy niszczyć toksyny z wykorzystaniem promieniowania przy udziale fotokatalizatorów – zapowiada prof. Jakub Matusik z Wydziału Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH, które realizuje projekt wraz ze swoją doktorantką mgr inż. Klaudią Dziewiątką.
Jak podkreśla, najważniejszym elementem fotokatalizy są półprzewodniki, czyli aktywne materiały, które pod wpływem promieniowania (najczęściej ultrafioletowego), generują różnego typu rodniki, mogące atakować toksyczne związki i je niszczyć. Przykład stanowi dwutlenek tytanu, który producenci dodają do farb mających usuwać różne substancje organiczne z powietrza. Same półprzewodniki to jednak za mało w starciu z mykotoksynami – dlatego naukowcy chcą zmodyfikować naturalne minerały w taki sposób, by wspomagały działanie półprzewodników.
Niszczycielskie kapsuły
Głównym minerałem wykorzystywanym w trakcie badań jest kaolinit. To pospolity i obecny w wielu rejonach minerał ilasty, który ze względu na swoją barwę i właściwości jest powszechnie wykorzystywany w procesie produkcji ceramiki szlachetnej i papieru oraz stanowi wypełniacz nadający pożądaną konsystencję kosmetykom. Kaolinit widziany ludzkim okiem ma postać proszku albo mączki. W obrazie mikroskopowym naturalnie występuje w formie płytkowych ziaren. W trakcie prac nad swoim doktoratem prof. Matusikowi udało się jednak opracować metodę, która pozwala na zmianę morfologii płytek kaolinitowych – w trakcie kolejnych reakcji chemicznych zwijają się one w kształt tzw. nanorurek (ich długość oscyluje w granicach kilkuset nanometrów, czyli stutysięcznych części centymetra). Dzięki takiej przemianie stają się cząstkami, które można wykorzystać jako nośniki. Szczególnie duże nadzieje wiąże z tym medycyna, bo nanorurki potencjalnie umożliwiają transport leków i aplikację substancji do określonego miejsca w organizmie.
Ta nanorurka działa jak kapsuła, która może transportować lek w określone miejsce w organizmie i tam go uwolnić. Mechanizmy uwalniania są różne i zależą np. od pH i od tego, jak ten materiał został przygotowany, bo zamyka się je na różne sposoby, stosuje się przykładowo różne polielektrolity, które mają chronić lek wewnątrz nanorurki. W takim samym celu stosuje się też różne minerały warstwowe – lek wprowadza się pomiędzy warstwy, które mają chronić cząsteczkę, żeby zadziałała tylko tam, gdzie powinna. Zwłaszcza, jeśli jest to lek przeciwnowotworowy, dzięki czemu nie zatruwa on całego organizmu, tylko działa w konkretnym miejscu. Nanorurkowe formy spełniają tę samą funkcję. Znane są badania związane z prostymi cząsteczkami, jak ibuprofen, ale też z insuliną czy z DNA, które też są zamykane w strukturach minerałów nanorurkowych czy warstwowych, by transportować informację genetyczną w organizmie – mówi o innych, niezwiązanych bezpośrednio z projektem, zastosowaniach nanorurek prof. Matusik.
W kontekście tego projektu istotne jest to, że nanorurki mogą być również wykorzystane do wprowadzenia do nich półprzewodników. Naukowcy spodziewają się, że taki nośnik mineralny pozwoli na spotęgowanie efektu działania cząstek półprzewodników – zamknięte wewnątrz nanorurkowej struktury będą miały większą powierzchnię oddziaływania z toksynami i można założyć, że wzrośnie efektywność degradacji.
Półprzewodniki znajdują się wewnątrz rurek. Mamy dzięki temu ograniczoną przestrzeń i kiedy toksyny dostaną się do wnętrza, to po prostu są tam niszczone pod wpływem zewnętrznego promieniowania –wyjaśnia naukowiec AGH. – Technicznie testujemy nasze materiały w warunkach statycznych tzn. do roztworu wodnego toksyny wprowadzamy niewielką naważkę naszego materiału w postaci sypkiej. Reakcja jest prowadzona w zamkniętym reaktorze z udziałem promieniowania UV. Prowadzimy tzw. badania kinetyczne, czyli mierzymy jak szybko spada stężenie toksyny w czasie. W przyszłości istotne będzie dla nas określenie mechanizmu degradacji toksyn – dodaje.
Sam proces się liczy
Wyniki uzyskane dla syntetycznego kaolinitu nanorurkowego zostaną porównane ze skutecznością rozkładu wybranych mykotoksyn przez inne materiały kaolinitowe oraz różne półprzewodniki. W każdej ich kombinacji niezmienny będzie udział promieniowania ultrafioletowego. Poza czystym kaolinitem płytkowym (wykorzystywanym w przemyśle papierniczym i ceramice) zbadany zostanie między innymi haloizyt, czyli minerał z podgrupy kaolinitu, który występuje naturalnie w postaci rurek. Naukowcy wykorzystają zarówno nanorurki ze złóż zanieczyszczonych pierwiastkami, jak żelazo i tytan, a także czyste odmiany, dostępne w sprzedaży. Prof. Matusik spodziewa się, że najlepsze wyniki pozwoli uzyskać syntetycznie otrzymany kaolinit nanorurkowy, bo proces jego przekształcania umożliwia wygenerowanie tzw. dużej powierzchni reaktywnej, na której półprzewodniki oddziałują z toksynami, podczas gdy naturalne nanorurki ze złóż nie zawsze są dobrze wykształcone, co może ograniczać ich funkcjonalność.
W trakcie analizy istotna będzie przede wszystkim zdolność rozkładania mykotoksyn, ale nie tylko – badacze rozpoczęli od szczegółowej charakterystyki materiałów i wykorzystują różne metody, by pozyskać o nich jak najwięcej informacji: o ich rozmiarach, budowie, strukturze, teksturze i składzie chemicznym oraz ich właściwościach. Chcą także sprawdzić ich stabilność, czyli określić jak zachowują się materiały w procesie degradacji, czy takie materiały będzie można ponownie wykorzystać, czy da się je regenerować.
Nanorurki na prowadzeniu
Projekt właśnie wkracza w decydującą fazę. Naukowcy z AGH mają zamiar w najbliższym czasie rozpocząć pracę z właściwymi toksynami – deoksyniwalenolem i zearalenonem. Nie zostały one wybrane przypadkowo, ponieważ są to substancje, które trudno usunąć poprzez zwykłą adsorpcję. Do tej pory naukowcy przeprowadzono testy skuteczności otrzymanych materiałów, wykorzystując barwniki – ich analityka jest dużo prostsza, dlatego dobrze sprawdziły się w pierwszej fazie projektu.
Widzimy, że nanorurkowy kaolinit ma dużo większą efektywność rozkładu barwnika niż czysty kaolinit i niż sam tlenek tytanu, biorąc pod uwagę naważkę, czyli ilość materiału, jakiej trzeba użyć, oraz stężenie i czas w jakim to zachodzi. Obserwujemy pewne pozytywne efekty, jeżeli chodzi o wykorzystanie nanorurek, które testujemy – raportuje dotychczasowe ustalenia prof. Matusik.
Na początku stycznia do Wydziałowego Laboratorium Badań Fazowych, Strukturalnych, Teksturalnych i Geochemicznych dotarł chromatograf cieczowy (HPLC), który posłuży do analizy toksyn. Realizacja projektu potrwa trzy lata. Jest on finansowany przez Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS 22.
źródło: AGH