Biosintesi innovativa, intelligenza artificiale

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21851 (2022) Citare questo articolo

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La strategia basata sui microbi nella nanotecnologia offre vantaggi economici, ecologici e di biosicurezza rispetto ai tradizionali protocolli chimici e fisici. Il presente studio descrive un nuovo protocollo di biosintesi per nanoparticelle di chitosano (CNP), impiegando un pioniere Streptomyces sp. ceppo NEAE-83, che ha mostrato un potenziale significativo per la biosintesi dei CNP. È stato identificato come ceppo Streptomyces microflavus NEAE-83 in base alle proprietà morfologiche e fisiologiche, nonché alla sequenza 16S rRNA (numero di accesso GenBank: MG384964). I CNP erano caratterizzati da SEM, TEM, EDXS, potenziale zeta, FTIR, XRD, TGA e DSC. La biosintesi dei CNP è stata massimizzata utilizzando un modello matematico, il design composito centrale centrato sul volto (CCFCD). La resa più elevata di CNP (9,41 mg/mL) è stata ottenuta nella corsa n. 27, utilizzando un pH iniziale di 5,5, 1% di chitosano, 40 °C e un periodo di incubazione di 12 ore. In modo innovativo, la rete neurale artificiale (ANN) è stata utilizzata per convalidare e prevedere la biosintesi dei CNP sulla base dei dati degli studi di CCFCD. Nonostante l’elevato grado di precisione di entrambi i modelli, l’ANN è stata suprema nella previsione della biosintesi dei CNP rispetto al CCFCD. L'ANN aveva un'efficacia di previsione più elevata e valori di errore più bassi (RMSE, MDA e SSE). I CNP biosintetizzati dal ceppo NEAE-83 di Streptomyces microflavus hanno mostrato attività antibatterica in vitro contro il Pectobacterium carotovorum, che causa il marciume molle della patata. Questi risultati hanno suggerito la sua potenziale applicazione per il controllo delle malattie distruttive del marciume molle delle patate. Questo è il primo rapporto sulla biosintesi dei CNP utilizzando un nuovo isolato; Streptomyces microflavus ceppo NEAE-83 come approccio eco-friendly e ottimizzazione del processo di biosintesi mediante intelligenza artificiale.

Gli attinomiceti comprendono un ampio gruppo unico di actinobatteri Gram-positivi e aerobi, con un alto contenuto di GC nel genoma (69-73%). Gli attinomiceti producono un substrato ramificato e un micelio aereo che si sviluppa in catene di spore formando pareti trasversali nei filamenti aerei multinucleati. Questo gruppo di batteri è ampiamente distribuito nel suolo e presenta abbondanti schemi di pigmentazione1,2. Grazie alla loro capacità di produrre numerosi metaboliti secondari a valore aggiunto e alle numerose applicazioni nei processi biologici, le specie Streptomyces sono le più importanti a livello industriale tra gli attinomiceti3,4,5. Un'applicazione emergente e promettente degli attinomiceti è la loro applicazione nella biosintesi delle nanoparticelle1,6.

Negli ultimi anni, le nanoparticelle hanno attirato una notevole attenzione grazie alle loro proprietà affascinanti7. Rispetto ai materiali sfusi, le nanoparticelle hanno un'elevata attività di reazione grazie al loro maggiore rapporto area superficiale/volume8. In generale, le nanoparticelle potrebbero essere generate per via chimica, fisica, meccanica o biologica9.

Esistono metodi non biologici che forniscono sistemi nanostrutturati biocompatibili senza l'uso di materiali dannosi o costosi, come il chitosano o l'albumina con tripolifosfato di sodio (TPP)10,11,12. Nonostante ciò, una serie di ostacoli contribuiscono ai limiti dei metodi non biologici, tra cui i costi elevati, l’utilizzo di alta pressione, energia, temperatura, composti pericolosi e grandi dimensioni delle particelle13. Le sostanze chimiche pericolose limitano l’uso delle nanoparticelle in campo medico e clinico. Di conseguenza, esiste l’urgente necessità di stabilire metodi alternativi ecocompatibili per sintetizzare le nanoparticelle9. Inoltre, la sintesi ecologica ed economica delle nanoparticelle a base microbica offre pulizia, sicurezza e solidità, inoltre, le capacità riduttive dei metaboliti microbici possono facilmente generare nanoparticelle monodisperse9.

Il chitosano è un derivato deacetilato della chitina, composto da un polisaccaride lineare di residui legati (β1 → 4) di N-acetil-2 ammino-2-deossi-d-glucosio (glucosamina) e 2-ammino-2-deossi-d -glucosio (N-acetil-glucosamina). È biodegradabile, solubile in un mezzo acido acquoso tramite protonazione amminica primaria e i gruppi amminici liberi generano una carica positiva sulle sue catene polimeriche14,15.