Biossíntese inovadora, inteligência artificial

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21851 (2022) Citar este artigo

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A estratégia de base microbiana em nanotecnologia oferece vantagens económicas, ecológicas e de biossegurança em relação aos protocolos químicos e físicos tradicionais. O presente estudo descreve um novo protocolo de biossíntese para nanopartículas de quitosana (CNPs), empregando um pioneiro Streptomyces sp. cepa NEAE-83, que exibiu um potencial significativo para a biossíntese de CNPs. Foi identificado como cepa NEAE-83 de Streptomyces microflavus com base nas propriedades morfológicas e fisiológicas, bem como na sequência 16S rRNA (número de acesso do GenBank: MG384964). Os CNPs foram caracterizados por SEM, TEM, EDXS, potencial zeta, FTIR, XRD, TGA e DSC. A biossíntese de CNPs foi maximizada usando um modelo matemático, desenho composto central centrado na face (CCFCD). O maior rendimento de CNPs (9,41 mg/mL) foi obtido na corrida no. 27, utilizando pH inicial de 5,5, quitosana a 1%, 40 °C e período de incubação de 12 horas. De forma inovadora, a rede neural artificial (RNA) foi utilizada para validar e prever a biossíntese de CNPs com base nos dados dos ensaios do CCFCD. Apesar do alto grau de precisão de ambos os modelos, a RNA foi suprema na predição da biossíntese de CNPs em comparação ao CCFCD. A RNA apresentou maior eficácia de predição e menores valores de erro (RMSE, MDA e SSE). CNPs biossintetizados pela cepa NEAE-83 de Streptomyces microflavus mostraram atividade antibacteriana in vitro contra Pectobacterium carotovorum, que causa a podridão mole da batata. Estes resultados sugeriram sua aplicação potencial no controle das doenças destrutivas da podridão mole da batata. Este é o primeiro relato sobre a biossíntese de CNPs utilizando um recém-isolado; Streptomyces microflavus cepa NEAE-83 como uma abordagem ecologicamente correta e otimização do processo de biossíntese por inteligência artificial.

Os actinomicetos compreendem um amplo grupo único de actinobactérias Gram-positivas e aeróbicas, com alto conteúdo de GC no genoma (69–73%). Os actinomicetos produzem substrato ramificado e micélio aéreo que se desenvolve em cadeias de esporos formando paredes transversais nos filamentos aéreos multinucleados. Este grupo de bactérias está amplamente distribuído no solo e possui abundantes padrões de pigmentação1,2. Devido à sua capacidade de produzir numerosos metabólitos secundários de valor agregado e diversas aplicações em processos biológicos, as espécies de Streptomyces são as mais importantes industrialmente entre os actinomicetos . Uma aplicação emergente e promissora dos actinomicetos é a sua aplicação na biossíntese de nanopartículas .

Nos últimos anos, as nanopartículas têm atraído atenção significativa devido às suas propriedades fascinantes7. Em comparação com materiais a granel, as nanopartículas apresentam alta atividade de reação devido à sua maior relação área superficial-volume8. Geralmente, as nanopartículas podem ser geradas por rotas químicas, físicas, mecânicas ou biológicas9.

Existem métodos não biológicos que fornecem sistemas nanoestruturados biocompatíveis sem a utilização de materiais nocivos ou de alto custo, como quitosana ou albumina com tripolifosfato de sódio (TPP)10,11,12. Apesar disso, vários obstáculos contribuem para as limitações dos métodos de base não biológica, incluindo o alto custo, a utilização de alta pressão, energia, temperatura, compostos perigosos e grandes tamanhos de partículas . Os produtos químicos perigosos limitam o uso de nanopartículas nas áreas médica e clínica. Consequentemente, existe uma necessidade urgente de estabelecer métodos alternativos ecológicos para sintetizar nanopartículas9. Além disso, a síntese de nanopartículas com base microbiana, ecologicamente correta e econômica, oferece limpeza, segurança e rapidez, além disso, as capacidades redutoras dos metabólitos microbianos podem facilmente gerar nanopartículas monodispersas .

A quitosana é um derivado desacetilado da quitina, composto por um polissacarídeo linear de resíduos ligados (β1 → 4) de N-acetil-2 amino-2-desoxi-d-glicose (glicosamina) e 2-amino-2-desoxi-d -glicose (N-acetil-glucosamina). É biodegradável, solúvel em meio aquoso ácido via protonação de amina primária, e os grupos amino livres geram carga positiva em suas cadeias poliméricas14,15.