Монголын Анагаахын Сэтгүүлүүдийн Холбоо (МАСХ)
Монголын анагаах ухаан, 2007, 3(141)
Нано хэмжээст алтны тоосонцрын тусламжтайгаар гэрлийн микроскопийн контрастыг сайжруулах нь
( Судалгааны өгүүлэл )

Б.Ичинхорлоо1, O.Shipin2, J.Dutta2

1Нийгмийн Эрүүл Мэндийн Хүрээлэн

2 Азийн Технологийн Хүрээлэн

 
Абстракт

Gold chemistry based nanoparticles have attracted signifi cant research and practical attention due to their tunable absorption and scattering effi ciencies and optical resonance wavelength. Colloidal gold nanoparticles are versatile agents with a variety of biomedical applications in highly sensitive diagnostic assays, thermal ablation and radiotherapy enhancement, as well as drug and gene delivery. These particles are stable, environmentally benign, and their chemical properties can be easily tailored by chemically modifying their surfaces. Gold nanoparticles in the 1 to 100nm range can be made in relatively monodisperse forms via a variety of synthetic methods. In this study we demonstrated the fi rst application on chitosan coated and glutamate coated gold nanoparticles for biological image enhancement of LM. To increase the contrast in light microscopy we used of 2 kinds of gold nanoparticles (chitosan coated and non-coated gold nanoparticles) to optimize the attachment conditions for to the representative organisms of Archaea, Bacteria [gram negative and gram positive], and Fungi (yeast, fi lamentous fungi). Chitosan non coated GNP (gold nanoparticles) contain monosodium glutamate (molar ratio <3) as the reducing and capping agents. For the Chitosan coated GNP were capped with biodegradable nontoxic agent named of Chitosan. Chitosan coated and non coated GNP are spherical in shape, 10-20 nm in diameter with high monodispersity. Optical absorption spectrum of the gold colloid is ranged in 520-530nm. According to the application of both types of GNP we found that chitosan coated GNPs substantially enhanced the contrast of LM as a result of attaching to the surface of microorganisms.

Pp. 15-18 , Table 1, Pictures 6, References 20

Удиртгал. Нанобиотехнологи нь биотехнологи ба нано-шинжлэх ухааны дэвшилтэт талуудыг

эрлийзжүүлэн шинээр үүсгэн бий болгосон 21-р зууны тэргүүлэх технологийн нэг юм. Эдгээр шинжлэхухааны эрлийзжүүлгийн дүнд бүтээсэн, молекулын түвшинд ажиллах чадвартай атом-хэмжээст машины тусламжтайгаар биологийн системийн бүтэц, шинж чанарыг өөрчлөх, судлах боломж нээгдэж байна (1, 2). Үүний нэг жишээ нь нанохэмжээст алтны тоосонцор юм. Алтны химийг үндэслэн бүтээсэн нано тоосонцорын оптикийн болон гэрлийн шинж чанарыг ашиглан биоанагаах ухааны салбарт өндөр мэдрэг оношлогооны аппарат зохион бүтээх, дулааны болон радио эмчилгээний аргыг сайжруулах, эмийн бодисын болон генийн түгээлтийн механизмыг боловсронгуй болгоход чиглэгдсэн ажлууд хийгдэж эхлээд байна (3, 4, 5, 6). Коллойд нано тоосонцор нь 3-100нм хэмжээтэй байх ба эдгээр жижиг хэсгүүд нь тогтвортой, гадаад орчиндхоргүйгээс гадна түүний хэмжээ, бүтэц, радиусаас оптикийн шинж чанар, өнгө нь хамаардаг байна. Нано хэмжээст алтны тоосонцор нь гадаргуугийн исэлдэх процесст тэсвэртэй ба тэдгээрийн химийн шинжчанарыг гадаргуугийнх нь бүтцийг модификаци хийж хялбархан өөрчилж болдог (7, 8, 9). Бидний судалгаанд байгалын гаралтай хитозанаар гадаргуугийн бүтцийг нь өөрчилсөн нано хэмжээст алтны тоосонцорын коллойд уусмалыг ашигласан бөгөөд энэ нь нэг чиглэлээр тархдаг, 10-20 нм-ийн хэмжээтэй тоосонцорыг агуулсан юм (10, 11). Хитозан нь аминополисахарид агуулсан байгалийн гаралтай, хоргүй, биологийн идэвхитэй полимер нэгдэл. Түүнд агуулагдах амин бүлэг нь химийн идэвхитэй бүлэг юм (12).

Судалгааны ажлын зорилго

Нанотехнологид үндэслэн бүтээсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцорыг ашиглан (gold nanoparticle) гэрлийн микроскопын контрастыг нэмэгдүүлэх

Судалгааны ажлын аргачлал

Гэрлийн микроскопын контрастыг нэмэгдүүлэхийн тулд хитозанаар (chitosan) бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцорын коллойд уусмал, глутамат натрийн тогтворжуулагч бүхий нано-хэмжээст алтнытоосонцорын коллойд уусмалуудыг Грамын болон бусад энгийн будагтай харьцуулан нянгийн харагдах байдлыг судлав. Судалгаанд Тайланд улсын Шинжлэх Ухаан Технологийн Хүрээлэнгийн өсгөврийн сан (TISTR), Япон улсын Тэжээлт Орчин Цэвэр Өсгөврийн Сангийн (JCM) нянгийн цэвэр өсгөврүүдийг, Дифко фирмийн тэжээлт орчингуудыг (тэжээллэг шөл, тэжээллэг агар, төмс дегострозой агар (BD Biosciences, Franklin Lakes, N.J) тус тус хэрэглэв. Грам эерэг нянгийн төлөөлөл болгон Staphylococcus aureus (TISTR), Corynebacterium glutamicum (TISTR), грам сөрөг нян Escherichia coli (TISTR 073), Pseudomonos aerogenosa (TISTR), спортой нян Bacillus (TEM, JEOL-JEN2010) тусламжтайгаар тодорхойлсон болно Нянгийн өсгөвөр бэлтгэх. Staphylococcus aureus, Corynebacterium glutamicum, Escherichia coli, Pseudomonos aerogenosa, Bacillus subtilis нянгуудыг тэжээллэг шөл болон тэжээллэг агарт 37 хэмд 24 цаг, Halobacterium salinarum нянг 25%-ийн давсны уусмал бүхий налобактерын сонгомол тэжээлт орчинд 30 хэмд 48-72 цаг, Aspergillus niger, Saccharomyces cerevisiae зэрэг мөөгөнцөрийг төмс дегострозой агарт 30 хэмд 24-72 цаг тус тус өсгөвөрлөв.

Гэрлийн микроскопын контрастын ихсэлтийг судлах. Микроорганизмуудыг нано хэмжээст алтны тоосонцор агуулсан уусмалуудаар нянг энгийн, сөрөг, эерэг аргаар болон Грамын будагтай хослуулан будах аргуудаар будаж гэрлийн болон електрон микроскопоор шинжлэн харьцуулалт хийв. Нано хэмжээст тоосонцорын коллойд уусмал болон тэжээлт орчныг тодорхой харьцаагаар хольж уг уусмалд нянг өсгөвөрлөн (37ОС-д 24 цаг) концентрацийн хамааралыг судлав (Хүснэгт 1). subtilis (TISTR), Archaea аймгийн төлөөлөл болгож Halobacterium salinarum (JCM 8978), мөөгөнцөрийн төлөөлөлөөр Aspergillus niger (TISTR), Saccharomyces cerevisiae (TISTR) нянг тус тус ашиглалаа. Нано-хэмжээст алтны тоосонцорын коллойд уусмал Бэлтгэх 15 нанометрийн диаметртэй 0.7х1011 алтны тоосонцор агуулсан коллойд уусмалыг Азийн Технологийн Институтын Инженерийн Сургуулийн Нано Технологийн Лабориторт алтны давсны (HAuCl4) устөрөгчийг глутамат натриар халах аргаар гарган авлаа (11). Үйлдлийг товч дурьдвал: 0.1 миллиМолийн HAuCl4 (Sigma-Aldrich) уусмалаас 100 мл-г буцалтал нь халааж дээрээс нь 0.55 миллиМолийн глутамат натрийн (Merck) уусмалыг нэмнэ. Хэсэг хугацааны дараа уусмалын өнгө нь цагаан аас гүн улаан болж өөрчлөгдөнө. үүний дараа тасалгааны хэмд богино хугацаанд хөргөнө. Хөргөх үедээ 1%-ийн давсны хүчлийн уусмалд бэлтгэсэн 37%-ийн хитозаны (Aldrich, дунд зэргийн молекул жинтэй) уусмалыг нэмж сайтар хутгана. Хитозанаар бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцорын коллойд уусмалын эцсийн концентраци нь 3.3% байна. Уусмалд агуулагдаж байгаа алтан тоосонцорын шинж чанарыг електрон микроскопын Судалгааны үр дүн, хэлцэмж. Судалгааны дүнгээс үзэхэд гэрлийн микроскопын контрастын ихсэлт нь нано тоосонцорын гадаргуугийн бүтэц, уусмалын концентраци, будах арга, хугацаанаас хамааралтай байгаа нь ажиглагдлаа. Микроорганизмуудыг энгийн аргаар будаж харахад глутамат натрийн тогворжуулагчтай нано хэмжээст алтны тоосонцор нь микроскопийн контрастыг илүү ихэсгэснээр нянгийн хэлбэр дүрс нь тод харагдаж байв. Зураг 1-д глутамат натрийн тогворжуулагчтай нано хэмжээст алтны тоосонцрын уусмалаар будсан нянгийн харагдахбайдлыг хитозан бүрхүүлтэй нано хэмжээст алтны тоосонцрын уусмалаар будсан нянгийн харагдах байдалтай харьцуулан харуулав. Будах хугацаа болон уусмалын концентраци ихсэх тутам нянгийн орчноосоо ялгаран харагдах байдал нь ихсэж байсан ба энэ нь нано хэмжээст алтны тоосонцрууд эсийн хананд бэхлэгдсэнтэй холбоотой болохыг электрон микроскопийн шинжилгээгээр (Зураг 2) болон Грамын будгаар хавсарч будах (Зураг 3) аргаар батлав.

Нано хэмжээст алтны тоосонцорын эсэд бэхлэгдэх нөхцөл, хугацааны хамаарлыг тодорхойлохын тулд гурван төрлийн тэжээлт орчин, хоёр төрлийн нано хэмжээст алтны тоосонцорын коллойд уусмалуудыг ижил хэмжээгээр хольж амьд болон үхүүлсэн микроорганизмуудыг тодорхой хугацаанд ( 2, 4, 8, 16, 24 цаг) өсгөвөрлөн уусмалын адсорбци болон булингарталтын өөрчлөлтийг спектрофотометрийн 521-600 нм-ийн долгионы уртад хэмжин харьцуулалт хийв. Нано хэмжээст алтны тоосонцор нь эсийн гадаргууд бүрэн бэхлэгдэж байгааг граммын будгаар хослуулан будах энгийн аргаар будахад алтны тоосонцрын уусмалд өсгөвөрлөсөн нян нь граммын аргаар будагдахгүй байсан ба нано хэмжээст алтны тоосонцроор хучигдсан нянгийн харагдах байдал нь Грамын аргаар будагдсан нянгийнхаас илүү байв (Зураг 3). E.coli а) Грамын будгаар будагдсан б) Нано хэмжээст алтны тосонцрын уусмалд 12 цаг өсгөвөрлөсний дараа Грамын будгаар будагдсан байдал в) Нано хэмжээст алтны тосонцрын уусмалд 24 цаг өсгөвөрлөсний дараа Грамын будгаар будагдсан байдал Сөрөг цэнэгтэй Глутамат натрийн тогворжуулагчтай нано хэмжээст алтны тоосонцор нь нянгийн эсийн хананын сөрөг цэнэгтэй уургуудтай түлхэлцэн үүний улмаас нано тоосонцорууд нь эсийн гаднаталын талбайд сууж улмаар эсийн эргэн тойрон дахь электрон нягтрал ихсэнээс эс нь тод ялгарч харагдана. Эерэг цэнэгтэй хитозан бүрхүүлтэй нано хэмжээст алтны тоосонцор нь эсийн хананд бэхлэгдсэний улмаас эсийн ханын электрон нягтаршил ихсэж гэрлийн микроскопоор харахад илүү тод харагдаж байв (13, 14,15). Мөөгөнцөр нь энэ хоёр уусмалаар сайн будагдаж\ байсан ба ялангуяа тэдгээрийн гадаргуугийн бүтцийг илүү тод харах боломжтой байв. Энэ нь нэг талаас мөөгөнцөрийн хэмжээ нь нянтай харьцуулахад том, эсийн хана нь зузаан, нөгөө талаас түүний эсийн хананд хитин болон N-ацетилглюкозамин ихээр агуулагдсан байдаг нь нанохэмжээст алтны тоосонцорын түүнтэй урвалд орж бэхлэгдэх таатай нөхцөл бүрдсэнтэй холбоотой (16). Зураг 4-д хитозанаар бүрхэгдсэн нанохэмжээст алтны тоосонцoop будагдсан мөөгөнцөрийн (Saccharomyces cerevisiae) эсийн орчноосоо ялгаран харагдах байдлыг энгийн гэрлийн микроскопын 100, 1000 дахин өсгөлтөөр болон фаз контраст микроскопоор харагдсан дүрсийг үзүүлэв. Archaea аймгийн төлөөлөл болгон будагдах өвөрмөц нөхцөл шаарддаг давстай (25%) орчинд амьдардаг Halobacterium salinarium нянг (17) сонгон авсан ба хитозанаар бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцроор будагдсан Halobacterium salinariumнянгийн хэлбэр дүрс илүү тод харагдаж байв (Зураг 5). Бусад тохиолдолд (Грамын болон Глутамат натрийнтогтворжуулагч бүхий нанохэмжээст алтны т о о с о н ц о р ) буд а гд а х г ү й байлаа. Н а н о т о о с о н ц о р эсийн хананд бэхлэгдэхэд уг уусмалд нянг ө с г ө в ө рл ө х х у г а ц а а , т э ж э э л торчны рН, нано тоосонцрын гадаргуугийн бүтэц, нянгийн бүтэц шинж чанар зэрэг нь их нөлөөлж байв. Жишээ нь, хугацаа өнгөрөх тутам хитозанаар бүрхэгдсэн нанохэмжээст алтны тоосонцрууд эсийн гадаргуугийн нийт талбайд бүрэн бэхлэгдэж ингэснээрээ гэрлийн микроскопын контрастыг нэмэгдүүлж байлаа. Мөн зарим тохиолдолд хугацаа өнгөрөх тутам микроскопын харагдах талбай дахь эсийн тоо харьцангуй багасаж байсан нь хитозаны нян үхүүлэх шинж чанарын нэг илрэл байв. Нянгийн тооны цөөрөлт нь грам эерэг нянд (18) илүү ажиглагдлаа

(Зураг 6).

Хитозанаар бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцор нь рН 7.4-7.5 бүхий тэжээллэг шөлөнд шууд тунадасжиж байсан бол рН 6.7-6.8 болоход тунадасжилтын процесс маш удаан явагдаж байв. Грамм сөрөг нян (E.coli, P.aeruginosa) нь хитозан бүрхүүлтэй нано хэмжээст алтны тоосонцор илүү будагдаж байлаа. Нано-хэмжээст алтны тоосонцор эсийн гадаргууд бэхлэгдэх явцын хугацаа, нянгийн шинж чанараас хамааран хитозанаар бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцор, глутамат натрийн тогтворжуулагч бүхий нанохэмжээст алтны тоосонцрын уусмалуудын абсорбци (600 нм долгионы уртад), булингарталт нь мөөгөнцөр, грам эерэг, сөрөг нян, үхүүлсэн ба амьд нянгуудад өөр өөр байсан ба хитозанаар бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцор эсийн гадаргууд бэхлэгдэх тутам уусмалын абсорбци буурч энэ хирээр эсийн ялгаран харагдах байдал ихсэж байлаа. Туршилтаас харахад хитозанаар бүрхэгдсэн нанохэмжээст алтны тоосонцор нь гэрлийн микроскопын контрастыг глутамат натрийн тогтворжуулагч бүхий нано-хэмжээст алтны тоосонцроос илүүтэйгээр ихэсгэж байсан бөгөөд энэ нь түүний гадаргуугийн гол бүтцийг бүрдүүлэгч хитины уламжлал болох хитозанд агуулагдаж байгаа амин бүлгийн үүсгэж буй нэмэх цэнэг, нянгийн эсийн ханан дахь карбоксилын ба фосфатын бүлгүүдтэй харилцан урвалд орж эсийн гадаргууд бэхлэгдэн эсийн электрон нягтшилийг ихэсгэсэнтэй холбоотой (19, 20).

 

Дүгнэлт

Хитозанаар бүрхэгдсэн нано-хэмжээст алтны тоосонцор нь нянгийн эсийн гадаргууд бэхлэгдснээр гэрлийн микроскопийн контрастыг илүүтэйгээр ихэсгэж байсан ба Грам сөрөг, грам эерэг, спортой нянгууд болон эсийн ханагүй нян, мөөгөнцөрүүдийг будаж тэдгээрийг хэлбэр хэмжээг судлах энгийг хялбар арга болох боломжтой юм.

Ном зүй

1. Salata, O.V. (2004). Applications
of nanoparticles in biology
and medicine, Journal of
Nanobiotechnology.
2. Herbert, E.& Rahul, S. (2005).
Impact of Nanotechnology on
Biomedical Sciences: Review
of Current Concepts on Convergence
of Nanotechnology
with Biology,
3. Jain, P.K., Lee, K.S., El-
Sayed, I.H., El-Sayed, M.A.
(2006). Calculated Absorption
and Scattering Properties of
Gold Nanoparticles of Different
Size, Shape, and Composition: Applications in
Biological Imaging and Biomedicine, J Phys Chem
B Condens Matter Mater Surf Interfaces Biophys,
110(14), 7238-7248.
4. Sahoo, S.K., Labhasetwar, V. (2003). Nanotech approaches
to drug delivery and imaging. Drug Disc.
Today, 8, 1112-1120.
5. David, T. (2005). Gold nanoparticles may simplify
cancer detection, Journal Nano Letters Online, Retrieved
9 May, 2005, from http://www.gatech.edu/
news-room/release.php?id=561
6. Cs´aki, A., Kaplanek, P., Robert, M., Wolfgang, F.
(2003). The optical detection of individual DNA-conjugated
gold nanoparticle labels after metal enhancement,
Nanotechnology, 14,1262-1268.
7. Dutta, J & Heinrich, H. (2003). Self-organization of
colloidal nanoparticles, Encyclopedia of nanoscience
and nanotechnology, 9, 1-23.
8. Hainfeld, J.F., (1987). A small gold-conjugated antibody
label: Improved resolution for electron microscopy,
Science, 236, 450-453Gudmund, S., Torleif,
A., Paul, S. (1989). Chitin and Chitison. Sources,
Chemistry, Biochemistry, Physical Properties and
Applications. 4th edition, NY, Elsevier Science Publishing
Co., INC
9. Thaxton, C.S., Mirkin, C.A, (2004). DNA-Gold
nanoparticle conjugates. In C.M. Niemeyer, &
C.A.Mirkin (Eds.), Nanotechnology concepts, applications
and perspectives (pp.289-307). WILEY-VCH
Verlag GmbH & Co. KGaA.Weinheim.
10. Sugunan, A. & Dutta, J. (2005). Novel synthesis of
gold nanoparticles in aqueous, Media, Mater. Res.
Soc. Symp. Proc, 901(E), Boston, USA.
11. Sugunan,A. (2005). Formation and potential uses
of glutamate-stabilized gold Nanoparticles. (Masters
Research study No ME-05-04, Asian Institute of
Technology, 2005). Bangkok: Asian Institute of Technology.
12. Steven, F. W., Rao, S. M., Chandrkrachang, S.
(1996). Chitin and Chitosan environmental friendly
and versatile biomaterials, the proceedings of the
second Asia Pacifi c Symposium, 21-23 November
1996, Bioprocess technology program Asian Institute
of Technology, Bangkok, Thailand.
13. Heidelinde, R. C. D., Ian, T. Y., Yuval, G.(2005). Gold
nanoparticles: A Novel Application of Spectral Imaging
in Proteomics - Preliminary Results, Proc. of
SPIE, 5694 Bellingham, WA.
14. Strand, S. P., K. M. Vеrum, and K. Шstgaard. 2003.
Interactions between chitosans and bacterial suspensions:
adsorption and fl occulation. Colloids Surf.
B Biointerf. 27:71–81.
15. Strand, S. P., T. Nordengen, and K. Шstgaard. 2002.
Effi ciency of chitosans applied for fl occulation of different
bacteria. Water Res. 36:4725–4752.
16. Madigan, T.M., Martinko, M.J., Parker,J. (2003).
Brock biology of microorganisms, Tenth edition,
Pearson Education, Inc.
17. Raina, M. M., Ian, L.P., Charles, P.G., (2000). Environmental
microbiology, San Diego, Academic Press,
Harcourt Science and Technology Company.
18. No, H. K., N. Y. Park, S. H. Lee, and S. P. Meyers.
2002. Antibacterial activity of chitosans and chitosan
oligomers with different molecular weights. Int. J.
Food Microbiol. 74:65–72.
19. Choi, B., K. Kim, Y. Yoo, S. Oh, J. Choi, and C. Kim.
2001. In vitro antimicrobial activity of a chitooligosaccharide
mixture against Actinobacillus actinomycetemcomitans
and Streptococcus mutans. Int. J.
Antimicrob. Agents, 18:553–557.
20. Liu, H., Y. Du, X. Wang, and L. Sun. 2004. Chitosan
kills bacteria through cell membrane damage. Int. J.
Food Microbiol. 95:147–155.
 
Танилцаж нийтлэх санал өгсөн : Анагаахын шинжлэх ухааны доктор Б.Бурмаа


Нийтлэлийн нээгдсэн тоо: 1377
Судлаачдын бусад өгүүлэл
Зохиогчийн эрх хуулиар хамгаалагдсан. Дэлхийн Эрүүл Мэндийн Байгууллага, ©  2012.
Вебийг бүтээсэн Слайд ХХК