Síntesis biogénica de nanopartículas metálicas : estudio de sus condiciones de producción, caracterización y aplicaciones biotecnológicas

Abstract

La nanotecnología ha revolucionado múltiples disciplinas científicas gracias a la posibilidad de diseñar materiales con propiedades físicoquímicas únicas. En este contexto, las nanopartículas (NPs) metálicas, y en particular las de plata (AgNPs), han cobrado gran interés por sus aplicaciones en áreas como la medicina, agricultura y medioambiente, entre otras. La biosíntesis de estas AgNPs, basada en el uso de extractos biológicos, representa una alternativa ecológica y sostenible en comparación con los métodos físicoquímicos tradicionales, ya que evita el uso de reactivos tóxicos, requiere menos energía y genera productos biocompatibles. El presente trabajo de tesis doctoral aborda la biosíntesis de AgNPs utilizando cepas del género Streptomyces, conocidas por su tolerancia a metales pesados y su capacidad de producir compuestos bioactivos. Se evaluaron siete cepas, destacándose Streptomyces sp. M7 y Streptomyces sp. Z38 por su capacidad de síntesis de AgNPs. Las mismas fueron caracterizadas mediante diferentes técnicas: espectroscopía ultravioleta-visible (UV-Vis), microscopía electrónica de barrido (SEM), espectroscopía de rayos X por energía dispersiva (EDS), espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier con reflectancia total atenuada (FTIR- ATR), espectroscopía Raman, análisis termogravimétrico (TGA), dispersión dinámica de la luz (DLS) y medición del Potencial Zeta, realizando un exhaustivo estudio de su morfología, tamaño, estabilidad y composición. Además, se identificaron proteínas asociadas a las AgNPs mediante espectrometría de masas, y se modelaron sus interacciones con las superficies metálicas. La funcionalización natural de las NPs dada por biomoléculas microbianas asociadas a su superficie, evidenció sus propiedades bioactivas en ensayos de actividad antimicrobiana y de promoción del crecimiento vegetal. Las AgNPs biogénicas presentaron una fuerte actividad antimicrobiana frente a bacterias multirresistentes, resaltando sus potencialidades como agentes antimicrobianos alternativos en un contexto global marcado por la creciente resistencia a los antibióticos convencionales. Asimismo, presentaron un efecto positivo notable sobre plantas de maíz desarrolladas bajo condiciones de estrés salino, mejorando significativamente su crecimiento y reduciendo el daño oxidativo. Se analizó adicionalmente la calidad del suelo post- aplicación, sugiriendo un impacto ambiental positivo debido a la mejora del metabolismo general de la microbiota edáfica, resaltando el potencial de las AgNPs biogénicas como una herramienta para mejorar la tolerancia de cultivos a condiciones adversas, sin comprometer la microbiota del suelo. Este trabajo destaca el potencial biotecnológico del uso de actinobacterias para la producción sostenible de AgNPs con potenciales aplicaciones en los sectores biomédico y agrícola.

Nanotechnology has revolutionized multiple scientific disciplines due to the possibility of designing materials with unique physicochemical properties. In this context, metallic nanoparticles (NPs), particularly silver nanoparticles (AgNPs), have gained significant interest for their applications in fields such as medicine, agriculture, and the environment, among others. The biosynthesis of these AgNPs, based on the use of biological extracts, represents an ecological and sustainable alternative compared to traditional physicochemical methods, as it avoids the use of toxic reagents, requires less energy, and generates biocompatible products. This doctoral thesis addresses the biosynthesis of AgNPs using strains of the Streptomyces genus, known for their tolerance to heavy metals and their ability to produce bioactive compounds. Seven strains were evaluated, with Streptomyces sp. M7 and Streptomyces sp. Z38 standing out for their AgNPs synthesis capacity. The AgNPs were characterized using various techniques: ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDS), Attenuated total reflectance Fourier-transform infrared spectroscopy (ATR-FTIR), Raman spectroscopy, thermogravimetric analysis (TGA), dynamic light scattering (DLS), and zeta potential measurement, conducting a thorough study of their morphology, size, stability, and composition. Additionally, proteins associated with the AgNPs were identified through mass spectrometry, and their interactions with metal surfaces were modeled. The natural functionalization of the NPs by microbial biomolecules associated with their surface revealed their bioactive properties in antimicrobial activity assays and plant growth promotion. The biogenic AgNPs exhibited strong antimicrobial activity against multi-resistant bacteria, highlighting their potential as alternative antimicrobial agents in a global context marked by the increasing resistance to conventional antibiotics. They also had a notable positive effect on maize plants grown under saline stress conditions, significantly improving their growth and reducing oxidative damage. The post-application soil quality was further analyzed, suggesting a positive environmental impact due to the enhancement of the overall metabolism of the soil microbiota, emphasizing the potential of biogenic AgNPs as a tool to improve crop tolerance to adverse conditions without compromising soil microbiota. This work highlights the biotechnological potential of using actinobacteria for the sustainable production of AgNPs with potential applications in the biomedical and agricultural sectors.