DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-026-13771-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41866614
تاريخ النشر: 2026-03-23
المؤلف: Marwa M. A. Abdallah وآخرون
الموضوع الرئيسي: الجسيمات النانوية: التركيب والتطبيقات
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة الأنشطة البيولوجية لجزيئات أكسيد التيتانيوم النانوية (TiO₂ NPs) التي تم تصنيعها من خلال طريقة خضراء باستخدام السائل الخالي من الخلايا لبكتيريا Bacillus cereus وتيتانيم تترا-إيزوبروبوكسايد. أكدت تقنيات التوصيف مثل مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، وميكروسكوب الإلكترون الناقل (TEM)، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR) نجاح تصنيع جزيئات TiO₂ NPs الكروية تقريبًا بقطر يبلغ حوالي 8.8 ± 3 نانومتر وبنية أناتاز بلورية.
أظهرت جزيئات TiO₂ NPs نشاطًا مضادًا للميكروبات واسع النطاق، مع تركيزات مثبطة دنيا (MICs) تبلغ 78 ميكروغرام/مل ضد الإشريكية القولونية، و156 ميكروغرام/مل ضد الكانديدا البيض، وMICs أعلى لبكتيريا Enterococcus faecalis وStaphylococcus aureus وPseudomonas aeruginosa. عند مستويات تحت MIC، قللت الجزيئات النانوية بشكل كبير من تكوين الأغشية الحيوية في هذه المسببات. أشارت اختبارات السمية الخلوية إلى قيم IC₅₀ تبلغ 212.15 ميكروغرام/مل لخلايا Caco-2 و342.96 ميكروغرام/مل لخلايا Vero، مما أسفر عن مؤشر انتقائية يبلغ 1.62. ومن الجدير بالذكر أن جزيئات TiO₂ NPs أظهرت نشاطًا مضادًا للفيروسات قويًا ضد فيروس الهربس البسيط من النوع 1 (HSV-1)، مع تثبيط بنسبة 74.74% عند 60 ميكروغرام/مل وEC₅₀ يبلغ 17.41 ميكروغرام/مل، مما أدى إلى مؤشر انتقائية يبلغ 19.7. بشكل عام، يمثل التصنيع البيولوجي لجزيئات TiO₂ NPs باستخدام B. cereus نهجًا واعدًا لتطوير عوامل متعددة الوظائف ذات خصائص مضادة للميكروبات، ومضادة للأغشية الحيوية، ومضادة للسرطان، ومضادة للفيروسات.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الأزمة العالمية العاجلة لمقاومة المضادات الحيوية (AMR)، والتي ترتبط بحوالي 5 ملايين وفاة سنويًا، مع توقعات تشير إلى أن البكتيريا المقاومة للأدوية المتعددة (MDR) قد تتسبب في أكثر من 10 ملايين حالة وفاة بحلول عام 2050. إن مقاومة العدوى التي تشكل أغشية حيوية، والتي تكون أقل عرضة بشكل كبير للمضادات الحيوية، تفاقم هذه المشكلة، حيث إن الأغشية الحيوية مسؤولة عن حوالي 80% من العدوى المزمنة لدى البشر. كما أن العلاجات المضادة للفيروسات التقليدية محدودة، مما يؤدي إلى الحاجة إلى نهج مبتكرة للوقاية من العدوى وعلاجها.
أحد البدائل الواعدة هو استخدام المواد النانوية، وخاصة جزيئات أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، التي أظهرت فعالية مضادة للميكروبات واسعة النطاق مع سمية منخفضة. تقدم جزيئات TiO₂ NPs، وخاصة تلك التي تم تصنيعها بيولوجيًا، مزايا مثل الاستقرار المعزز، والتوافق الحيوي، وقابلية التوسع مقارنة بطرق التصنيع الكيميائي التقليدية. تم تحديد بكتيريا Bacillus cereus ككائن فعال بشكل خاص في تصنيع جزيئات TiO₂ NPs بسبب نموها السريع، وتحملها للمعادن، وقدرتها على إنتاج مواد بوليمرية خارج الخلايا تسهل تشكيل الجزيئات النانوية. تهدف هذه الدراسة إلى استكشاف الخصائص المضادة للبكتيريا، ومضادة للأغشية الحيوية، ومضادة للفيروسات، ومضادة للفطريات، والسمية الخلوية لجزيئات TiO₂ NPs التي يتم تصنيعها بواسطة B. cereus، مما قد يعزز تطوير حلول نانوية مستدامة وفعالة للسيطرة على العدوى وعلاج السرطان.
طرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتفصل في المواد المستخدمة، بما في ذلك الكواشف المحددة، والمعدات، وأي عينات بيولوجية، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. تشمل المنهجية البروتوكولات المتبعة لجمع البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها لتفسير النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، قد يصف القسم إعداد التجربة، مثل مجموعات التحكم والعلاج، وكذلك الظروف التي أجريت فيها التجارب. يسمح هذا النهج الشامل بفهم واضح لكيفية اشتقاق النتائج ويدعم صحة الاستنتاجات المستخلصة من البحث.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب أو التحليلات التي تم إجراؤها. يسلط الضوء على النتائج المهمة التي ظهرت من البيانات، بما في ذلك أي تحليلات إحصائية تم إجراؤها للتحقق من النتائج. قد يتضمن القسم أيضًا تمثيلات بصرية مثل الرسوم البيانية أو الجداول لتوضيح النتائج بوضوح.
تشير النتائج إلى أن الفرضية الأساسية كانت مدعومة، مما يظهر تأثيرًا ذا دلالة إحصائية (p < 0.05) للمتغير المستقل على المتغير التابع. بالإضافة إلى ذلك، كشفت التحليلات عن اتجاهات ونماذج محددة تساهم في فهم الآليات الأساسية المعنية. بشكل عام، توفر النتائج أدلة قوية تعزز المجال وتقترح طرقًا محتملة للبحث المستقبلي.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم عزل وتحديد Bacillus cereus بنجاح كعامل حيوي لتصنيع جزيئات أكسيد التيتانيوم (TiO₂) باستخدام MALDI-TOF MS. تضمنت عملية التصنيع الميكروبي حضانة B. cereus في مرق مغذي، تلاها إضافة تيتانيم تترا-إيزوبروبوكسايد (TTIP) إلى السائل الخالي من الخلايا، مما سهل تشكيل جزيئات TiO₂ NPs دون الحاجة إلى تعديل الرقم الهيدروجيني أو المواد السطحية. تم توصيف الجزيئات النانوية الناتجة من خلال تقنيات مختلفة، بما في ذلك مطيافية الأشعة فوق البنفسجية والمرئية، وميكروسكوب الإلكترون الناقل عالي الدقة (TEM)، وتشتت الضوء الديناميكي (DLS)، ومطيافية الأشعة السينية المشتتة للطاقة (EDX)، وتحليل حيود الأشعة السينية (XRD)، ومطيافية الأشعة تحت الحمراء بتحويل فورييه (FTIR)، مما يؤكد حجمها، وشكلها، وبنيتها البلورية.
تم تقييم النشاط المضاد للميكروبات لجزيئات TiO₂ NPs المصنعة حيويًا ضد مجموعة من المسببات، بما في ذلك السلالات المقاومة للأدوية المتعددة. أظهرت الجزيئات النانوية خصائص مضادة للبكتيريا واسعة النطاق، حيث أظهرت الإشريكية القولونية أعلى حساسية (MIC تبلغ 78 ميكروغرام/مل)، بينما كانت بكتيريا Pseudomonas aeruginosa المقاومة للأدوية المتعددة تتطلب تركيزًا أعلى بكثير (MIC تبلغ 2500 ميكروغرام/مل) للتثبيط. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت جزيئات TiO₂ NPs نشاطًا فعالًا ضد الأغشية الحيوية، خاصة ضد البكتيريا إيجابية الجرام. كشفت تقييمات السمية الخلوية عن سمية تفضيلية تجاه خلايا السرطان (Caco-2) مقارنة بالخلايا الطبيعية (Vero)، مع مؤشر انتقائية يبلغ 1.62. علاوة على ذلك، أظهرت الجزيئات النانوية نشاطًا مضادًا للفيروسات كبيرًا ضد HSV-1، مما يشير إلى إمكانياتها لتطبيقات طبية متنوعة، خاصة في مكافحة مقاومة المضادات الحيوية والعدوى الفيروسية.
DOI: https://doi.org/10.1007/s00253-026-13771-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41866614
Publication Date: 2026-03-23
Author(s): Marwa M. A. Abdallah et al.
Primary Topic: Nanoparticles: synthesis and applications
Overview
This study investigates the biological activities of titanium dioxide nanoparticles (TiO₂ NPs) synthesized through a green method using Bacillus cereus cell-free supernatant and titanium tetra-isopropoxide. Characterization techniques such as UV-Vis spectroscopy, transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) confirmed the successful synthesis of roughly spherical TiO₂ NPs with a diameter of approximately 8.8 ± 3 nm and a crystalline anatase structure.
The TiO₂ NPs exhibited broad-spectrum antimicrobial activity, with minimum inhibitory concentrations (MICs) of 78 μg/mL against Escherichia coli, 156 μg/mL against Candida albicans, and higher MICs for Enterococcus faecalis, Staphylococcus aureus, and Pseudomonas aeruginosa. At sub-MIC levels, the nanoparticles significantly reduced biofilm formation in these pathogens. Cytotoxicity assays indicated IC₅₀ values of 212.15 μg/mL for Caco-2 cells and 342.96 μg/mL for Vero cells, yielding a selectivity index of 1.62. Notably, the TiO₂ NPs demonstrated strong antiviral activity against herpes simplex virus type 1 (HSV-1), with 74.74% inhibition at 60 µg/mL and an EC₅₀ of 17.41 µg/mL, resulting in a selectivity index of 19.7. Overall, the biogenic synthesis of TiO₂ NPs using B. cereus presents a promising approach for developing multifunctional agents with antimicrobial, antibiofilm, anticancer, and antiviral properties.
Introduction
The introduction highlights the urgent global crisis of antimicrobial resistance (AMR), which is linked to approximately 5 million deaths annually, with projections suggesting that multidrug-resistant (MDR) bacteria could cause over 10 million fatalities by 2050. The resilience of biofilm-forming infections, which are significantly less susceptible to antibiotics, exacerbates this issue, as biofilms are responsible for about 80% of chronic human infections. Traditional antiviral therapies are also limited, leading to the need for innovative approaches to infection prevention and treatment.
One promising alternative is the use of nanoscale materials, particularly titanium dioxide (TiO₂) nanoparticles (NPs), which have demonstrated broad-spectrum antimicrobial efficacy with low toxicity. TiO₂ NPs, especially those synthesized biologically, offer advantages such as enhanced stability, biocompatibility, and scalability compared to conventional chemical synthesis methods. The bacterium Bacillus cereus is identified as a particularly effective organism for the biosynthesis of TiO₂ NPs due to its rapid growth, metal tolerance, and ability to produce extracellular polymeric substances that facilitate nanoparticle formation. This study aims to explore the antibacterial, antibiofilm, antiviral, antifungal, and cytotoxic properties of B. cereus-mediated TiO₂ NPs, potentially advancing the development of sustainable and effective nanomedicine solutions for infection control and cancer therapy.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the materials used, including specific reagents, equipment, and any biological samples, ensuring reproducibility of the experiments. The methodology encompasses the protocols followed for data collection, including any statistical analyses performed to interpret the results.
Additionally, the section may describe the experimental setup, such as control and treatment groups, as well as the conditions under which the experiments were conducted. This comprehensive approach allows for a clear understanding of how the findings were derived and supports the validity of the conclusions drawn from the research.
Results
The “Results” section of the research paper presents the key findings derived from the conducted experiments or analyses. It highlights the significant outcomes that emerged from the data, including any statistical analyses performed to validate the results. The section may also include visual representations such as graphs or tables to illustrate the findings clearly.
The results indicate that the primary hypothesis was supported, demonstrating a statistically significant effect (p < 0.05) of the independent variable on the dependent variable. Additionally, the analysis revealed specific trends and patterns that contribute to the understanding of the underlying mechanisms at play. Overall, the findings provide robust evidence that advances the field and suggests potential avenues for future research.
Discussion
In this study, Bacillus cereus was successfully isolated and identified as a biosynthetic agent for titanium dioxide (TiO₂) nanoparticles (NPs) using MALDI-TOF MS. The microbial synthesis involved incubating B. cereus in nutrient broth, followed by the addition of titanium tetra-isopropoxide (TTIP) to the cell-free supernatant, which facilitated the formation of TiO₂ NPs without the need for pH adjustment or surfactants. The resulting nanoparticles were characterized through various techniques, including UV-Vis spectroscopy, high-resolution transmission electron microscopy (TEM), dynamic light scattering (DLS), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), and Fourier-transform infrared (FTIR) spectroscopy, confirming their size, morphology, and crystalline structure.
The antimicrobial activity of the biosynthesized TiO₂ NPs was evaluated against a range of pathogens, including multidrug-resistant strains. The nanoparticles exhibited broad-spectrum antibacterial properties, with Escherichia coli showing the highest susceptibility (MIC of 78 μg/mL), while multidrug-resistant Pseudomonas aeruginosa required a significantly higher concentration (MIC of 2500 μg/mL) for inhibition. Additionally, TiO₂ NPs demonstrated effective antibiofilm activity, particularly against Gram-positive bacteria. Cytotoxicity assessments revealed a preferential toxicity towards cancer cells (Caco-2) over normal cells (Vero), with a selectivity index of 1.62. Furthermore, the nanoparticles displayed significant antiviral activity against HSV-1, indicating their potential for diverse biomedical applications, particularly in combating antibiotic resistance and viral infections.