Nanopartikel Bimetalik Cu:Ag: Peningkatan Efektivitas Antibakteri terhadap Strain Resisten Antibiotik – Suatu Studi Molecular Docking
Abstrak
Penelitian ini mengevaluasi pengaruh berbagai konsentrasi Ag dalam nanopartikel bimetalik Cu:Ag yang dikembangkan sebagai agen antibakteri yang menjanjikan terhadap bakteri resisten antibiotik. Nanopartikel bimetalik Cu:Ag dengan berbagai rasio konsentrasi Ag (2,5, 5,0, 7,5, dan 10 wt%) dalam jumlah Cu tetap, ditandai sebagai 1:0,025, 1:0,050, 1:0,075, dan 1:0,1, disintesis menggunakan metode co-precipitation dengan ammonium hidroksida dan air deionis sebagai pelarut, polyvinyl pirrolidon sebagai agen capping, dan natrium borohidride serta asam askorbat sebagai agen pengurang. Produk formulasi tersebut dikarakterisasi melalui berbagai teknik. XRD mengonfirmasi kesetaraan fasa dan mendeteksi kehadiran struktur fcc yang berbeda yang termasuk fase Cu dan Ag. Spektroskopi FTIR mengonfirmasi kehadiran mode getaran yang sesuai dengan berbagai grup fungsional dan mencatat puncak karakteristik yang berasal dari bimetalik. Spektroskopi UV–vis menunjukkan penurunan jarak sempit seiring meningkatnya kandungan Ag. Mikrograf SEM dan HR-TEM mengungkapkan morfologi spherical Ag-doped Cu bimetalik dengan aglomerasi skala kecil dan besar. Sampel menunjukkan dimensi dan spasi lapisan yang bervariasi. Tindakan bakterisidal nanopartikel bimetalik Cu:Ag yang disintesis menunjukkan zona inhibi yang signifikan secara statistik (P < 0,05) untuk berbagai konsentrasi dopan Ag terhadap Staphylococcus aureus (S. aureus), Escherichia coli (E. coli), dan Acinetobacter baumannii (A. baumannii) masing-masing berkisar (0,85–2,8 mm), (0,55–1,95 mm) dan (0,65–1,85 mm). Secara umum, nanopartikel bimetalik Cu:Ag ditemukan lebih potens terhadap gram-positif dibandingkan gram-negatif. Studi molecular docking nanopartikel bimetalik Ag–Cu dilakukan terhadap β-laktamase, enzim kunci dalam jalur biosintesis dinding sel dari S. aureus (Skor binding: −4,981 kcal/mol) dan A. baumannii (Skor binding: −4,013 kcal/mol). Demikian pula, analisis interaksi binding terhadap FabI dari jalur biosintesis asam lemak dari A. baumannii (Skor binding: −3,385 kcal/mol) dan S. aureus (Skor binding: −3,012 kcal/mol) bersama FabH dari E. coli (Skor binding: −4,372 kcal/mol) dilakukan. Komputasi teoretika ini menunjukkan nanopartikel bimetalik Cu-Ag sebagai inhibitor potensial dari enzim yang dipilih. Disarankan untuk mengeksplorasi potensi inhibisi in vitro dari bahan-bahan ini guna membuka peluang baru dalam penemuan antibiotik.
Pendahuluan
Berbagai mikroorganisme yang terdiri dari bakteri, jamur, virus, dan parisit ada di bumi dan lingkungannya. Spesies ini menyebabkan komplikasi dalam produksi dan penggunaan peralatan medis, barang kesehatan, makanan olahan, sistem pemurnian air, dan produk sanitasi domestik [1, 2]. Antibiotik secara rutin digunakan oleh dokter untuk membunuh bakteri yang menyebabkan penyakit pada manusia dan hewan. Kelemahan penggunaan antibiotik yang berulang adalah membuat bakteri menjadi resistent terhadap obat seiring waktu. Antibiotik juga berfungsi untuk mengurangi jumlah bakteri ‘baik’ yang ada di tubuh yang melawan infeksi. Penyakit yang timbul dari infeksi yang disebabkan oleh bakteri resisten antibiotik telah menjadi sumber kekhawatiran besar di bidang medis saat ini. Dalam hal ini, banyak kuman yang telah diidentifikasi sebagai resistent terhadap obat [3,4,5,6,7]. Upaya baru sedang dilakukan untuk mengatasi masalah bakteri resistent terhadap obat dan mengganti agen antimikroba saat ini dengan terapi yang lebih efisien dan komplementer. Dalam hal ini, nanoteknologi telah memberikan kontribusi signifikan dalam produksi nanomaterial seperti NP logam dan oksida logam (misalnya Ag, Cu, CuO, TiO2, SiO2, MgO, dan ZnO) untuk melawan sejumlah mikroorganisme yang resistant terhadap antimikroba yang semakin meningkat. Di antara ini, NP Cu dan Ag telah menunjukkan properti antimikroba yang menginspirasi [8,9,10,11,12].
Dalam beberapa tahun terakhir, NP bimetalik telah dikembangkan dan digunakan untuk berbagai aplikasi di bidang kimia, ilmu material, bioteknologi, dan perlindungan lingkungan. NP bimetalik yang mengandung tembaga (Cu) dan perak (Ag) dengan fraksi atom permukaan yang tinggi dan luas permukaan spesifik yang besar telah dipelajari secara luas [13]. NP bimetalik ini sangat menarik karena properti kimia, optik, katalitik, biologis, plasmonik, dan terutama antimikroba yang ditingkatkan [14,15,16,17,18,19,20]. Ion Ag dapat direduksi oleh etanol dalam kondisi atmosfer pada 800 hingga 1000 °C untuk mendapatkan NP perak [21, 22]. NP perak memiliki efektivitas antimikroba yang baik, oleh karena itu digunakan dalam produksi krim tabir surya dan pemrosesan air [23]. NP Cu difabrikasi dengan reduksi sulfat tembaga dengan hidrazin dalam etilena glikol di bawah iradiasi mikrogelombang, dan juga dapat digunakan sebagai agen antibakteri [24,25,26].
Logam seperti Cu dan Ag secara individu tidak memiliki properti optik, katalitik, dan struktural yang menjanjikan dan tidak dapat dikonversi menjadi bimetalik. Di sisi lain, menggabungkan kedua logam (Cu:Ag) menawarkan peluang baru untuk menyesuaikan struktur dan morfologi produk yang dihasilkan untuk aplikasi yang diinginkan. Berdasarkan struktur akhirnya, misalnya, core–shell, struktur dumb-bell, struktur dua antarmuka, struktur acak, atau struktur bentuk bunga, NP bimetalik dapat menunjukkan berbagai aktivitas antimikroba [27,28,29,30,31]. Berbagai metode tersedia untuk sintesis NP bimetalik termasuk co-precipitation, sol–gel, hidrotermal, reduksi, mikro-emulsi, dan metode poliol [32,33,34,35,36,37].
Dalam penelitian ini, NP bimetalik Cu:Ag disintesis melalui metode co-precipitation menggunakan ammonium hidroksida dan air deionis sebagai pelarut, polyvinyl pirrolidon sebagai agen capping, dan natrium borohidride serta asam askorbat sebagai agen pengurang. Empat sampel dengan konsentrasi yang berbeda disiapkan. Seiring meningkatnya konsentrasi Ag dalam NP bimetalik yang disiapkan, sampel menunjukkan aktivitas yang ditingkatkan terhadap bakteri Acinetobacter baumannii yang menyebabkan demam dan mual. Bahan yang disintesis menunjukkan penampilan merah selama pertumbuhan cepat yang menunjukkan bahwa aktivitas antimikroba ditingkatkan seiring meningkatnya konsentrasi Ag dalam NP bimetalik. Selain itu, prediksi in silico menggunakan studi molecular docking dilakukan untuk mengidentifikasi pola interaksi NP bimetalik Cu:Ag terhadap enzim β-laktamase dari jalur biosintesis dinding sel bersama enzim FabI dan FabH dari jalur biosintesis asam lemak.
Metode
Penelitian saat ini bertujuan untuk mensintesis berbagai konsentrasi Ag dalam nanopartikel bimetalik Cu:Ag melalui rute hidrotermal untuk mengevaluasi efektivitas agen antibakteri terhadap bakteri resisten antibiotik.
Bahan
Klorida tembaga (II) (CuCl2·2H2O, 98,9%) dan nitrat perak (AgNO3) sebagai prekursor, polyvinyl pirrolidon (PVP, bobot molekuler rata-rata 40.000) sebagai agen capping, natrium borohidride (NaBH4, 99,9%) dan asam L-askorbat (C6H8O6, 99,0%) sebagai agen pengurang serta ammonium hidroksida (NH4OH) digunakan dalam penelitian ini setelah diperoleh dari Sigma Aldrich, AS.
Sintesis NP Bimetalik Cu:Ag
NP bimetalik Cu:Ag disiapkan menggunakan metode co-precipitation seperti yang digambarkan pada Gambar 1. Dalam air deionis, 1,25 g PVP dan 0,5 g asam askorbat ditambahkan dan diaduk secara energik pada 100 °C. Dua larutan 40 mL ammonium hidroksida disiapkan secara terpisah; dalam satu larutan, 1,7 g klorida tembaga dan dalam larutan lainnya 1,7 g nitrat perak ditambahkan. Kedua larutan tersebut kemudian dituahkan satu demi satu ke dalam larutan yang awalnya disiapkan dengan penambahan 0,5 g NaBH4. Setelah itu, larutan akhir diaduk pada 100 °C selama 4 jam untuk membuatnya homogen dan kemudian dientrifugas pada 6000 rpm untuk ekstraksi lengkap NP. NP bimetalik yang dihasilkan dikeringkan pada 100 °C untuk eliminasi lengkap kelembaban dan kotoran, untuk memastikan bahwa produk bimetalik yang disiapkan dalam bentuk murni [12]. Demikian pula, empat sampel dengan berbagai konsentrasi Ag (mol 2,5%, 5%, 7,5%, dan 10%) disiapkan dengan rasio Cu tetap.
Ilustrasi sintesis NP bimetalik Cu:Ag
Aktivitas Antimikroba
Potensi bakterisidal in vitro NP bimetalik Cu:Ag dievaluasi terhadap bakteri patogen S. aureus, E. coli, dan A. baumannii isolat yang diperoleh dari susu mastitis sapi menggunakan metode difusi lubang. Agar garam manitol, agar MacConkey, dan agar Lauria Bertani di swab dengan pertumbuhan bakteri isolat yang diaktifkan 1,5 × 108 CFU/ml. Setelah media mengeras, lima lubang disiapkan menggunakan pipet kuning dengan diameter 15 mm dan sepuluh mikroliter (5 µg/mL). NP bimetalik Cu:Ag yang segar disiapkan dimuat ke dalam lubang dengan berbagai rasio dibandingkan dengan sepuluh mikroliter amoksisilin (5 µg/mL) sebagai kontrol positif dan 50 μl DIW sebagai kontrol negatif. Aktivitas bakterisidal NP bimetalik Cu:Ag yang disintesis ditentukan dengan mengukur zona inhibi (dalam mm) yang terbentuk setelah inkubasi selama 15 jam pada 37 °C.
Analisis Statistik
Aktivitas bakterisidal NP yang disintesis dengan pengukuran zona inhibi (mm) dianggap signifikan secara statistik menggunakan SPSS 20.0, analisis variansi satu arah (ANOVA) [57].
Studi Molecular Docking
Antibiotik menurunkan pertumbuhan bakteri dan menyebabkan kematian bakteri melalui kerusakan dinding sel, mengganggu proses biokimia, kerusakan membran sel, dan penetrasi melalui biofilm [38]. Dalam beberapa dekade terakhir, banyak nanopartikel dengan potensi aktivitas bakterisidal telah dilaporkan, yang membunuh bakteri baik melalui gangguan dinding sel atau dengan memblokir sumber makanan dengan mekanisme yang mirip dengan antibiotik yang diketahui [39,40,41]. Oleh karena itu, enzim yang termasuk dalam jalur biokimia ini dianggap target penting dan menarik untuk penemuan antibiotik [12]. Di sini, enzim kunci dari jalur biosintesis dinding sel (yaitu β-laktamase) dan jalur biosintesis asam lemak (yaitu FabH dan FabI) dipilih sebagai target potensial untuk mengevaluasi mekanisme interaksi NP bimetalik Cu:Ag dengan kantong aktif mereka sebagai inhibitor (lihat Gambar 2).
Struktur 3D target protein β-laktamase, FabI (dari A. baumannii & S. aureus) dan FabH dari E. coli
Parameter struktural 3D enzim yang dipilih diambil dari protein data bank dengan kode PDB: 4U0X (Resolusi 2,03 Å) untuk β-laktamase [42] dan 6AH9; Resolusi 1,74 Å [43] untuk Enoyl-[asetil-karier-protein] redutase (FabI) dari A. baumannii. β-laktamase (struktur 3D) dengan ID PDB: 1MWU; Resolusi 2,6 Å [44] dan FabI dengan kode PDB: 4CV1; Resolusi 1,95 [45] dari S. aureus sementara untuk FabH dari E. coli memiliki kode PDB: 4Z8D; Resolusi 2,0 Å [46].
Studi molecular docking NP bimetalik Cu:Ag dilakukan menggunakan perangkat lunak ICM Molsoft v3.8–4a atau di atasnya (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) untuk mengidentifikasi interaksi binding dengan residu kunci dari situs aktif [47]. Alat preparasi protein/reseptor ICM digunakan untuk optimasi dan persiapan struktur target enzim yang dipilih. Langkah-langkah yang terlibat adalah penambahan atom H polar, penghapusan molekul air, dan minimisasi energi menggunakan parameter default. Molekul ligand ko-kristal dihapus untuk memberikan ruang bagi docking NP. Kantong binding didefinisikan menggunakan kotak grid yang menentukan posisi ligand kristal. Konformasi dengan energi binding terendah dari 10 konformasi docking teratas dipilih dalam setiap kasus untuk menganalisis pola interaksi dan kecenderungan binding NP bimetalik Ag–Cu di dalam kantong aktif. Perangkat lunak Pymol dan discovery studio visualizer digunakan untuk analisis dan gambaran 3D interaksi binding [48]. Struktur NP bimetalik Cu:Ag diambil dari PubChem dalam format .sdf.
Karakterisasi
Analisis struktural dan kesetaraan fasa diamati dengan XRD (PAN analytical X’pert pro XRD) dengan radiasi Cu-Kα (λ = 0,154 nm, 20° hingga 80°). Kehadiran mode getaran yang sesuai dengan berbagai grup fungsional dievaluasi menggunakan spektroskopi inframerah transform Fourier-FTIR dengan spektrometer Perkin Elmer. Spektrum penyerapan diperoleh menggunakan spektrofotometer UV–vis-Genesys 10S. FESEM yang dikaitkan dengan spektrometer EDS (JSM-6610LV) dan HR-TEM (JEOL JEM 2100F) digunakan untuk memvisualisasikan morfologi permukaan. Perangkat lunak ICM v3.8-4a atau di atasnya (Molsoft L.L.C., La Jolla, CA) digunakan untuk analisis molecular docking.
Hasil dan Pembahasan
Analisis XRD dilakukan untuk menilai konstitusi fasa dan struktur kristal produk yang diformulasikan. Gambar 3a mengungkapkan pola XRD yangdikaitkan antara 20° dan 80°. Dalam Cu:Ag bimetalik, pantulan yang diamati sekitar ~ 38,2°, 46°, 64,4°, dan 77,1° dikaitkan dengan aspek (111), (200), (220), dan (311) dari fasa Ag fcc sesuai JCPDS No. 04-0783 [32, 49,50,51,52]. Sedangkan, dalam hal Cu, difraksi yang muncul pada 32,6°, 44,2°, dan 51° menandai bidang jaringan (110), (111), dan (200) yang mengonfirmasi kehadiran CuO terstruktur fcc dan Cu logam, masing-masing, dan cocok dengan JCPDS No. 04-0836 [32, 53,54,55,56]. Dalam pola yang diekstrak, puncak Ag dan Cu masing-masing diamati yang menunjukkan kehadiran NP yang terdiri dari fase Ag dan Cu. Selain itu, kehadiran CuO dalam sampel dengan kandungan Ag yang lebih rendah (misalnya, 1:0,025, 1:0,050, dan 1:0,075) menunjukkan bahwa NP Cu teroksidasi dan menunjukkan perilaku non-protektif pada suhu tinggi karena konsentrasi Ag yang lebih rendah [52]. Sebaliknya, dalam sampel dengan kandungan Ag tertinggi (1:0,1), puncak CuO menunjukkan intensitas rendah yang mengindikasikan pembentukan produk sebagian bebas oksida [57]. Ini menunjukkan bahwa resistensi oksidasi yang ditingkatkan dari NP bimetalik akan terjadi karena penambahan Ag [52]. Tidak ada puncak tambahan kotoran yang terdeteksi dalam batas deteksi instrumen sementara setiap bidang kristalografis terdiri dari situs yang berbeda secara energitik berdasarkan densitas atom. Keduanya NP Cu dan Ag memiliki aspek densitas atom tinggi pada (111) yang berfungsi untuk Mengekspos orientasi bidang maksimum [51, 58]. Menggunakan hukum Bragg, d-spacing Ag dan Cu ditemukan masing-masing 0,24 dan 0,21 nm yang sesuai dengan bidang (111) yang berbeda dari kedua elemen dan sejalan dengan temuan HR-TEM (Gambar 6) [51, 59,60,61,62]. Cincin SAED yang sesuai (Gambar 3b–d) yang diperoleh dari produk bimetalik yang disiapkan menunjukkan pola cincin yang berbeda yang menunjukkan produk yang kristal dengan baik dan cocok dengan pola XRD.
a Profil XRD yang diperoleh dari NP bimetalik Cu:Ag, b–d Cincin SAED yang diperoleh menggunakan HR-TEM untuk sampel b 1:0.025, c 1:0.050, dan d 1:0.10, e Spektra FTIR dari sampel yang disiapkan
Spektra FTIR direkam antara 500 dan 4000 cm−1 seperti yang ditampilkan pada Gambar 3e; band yang ditransmisikan yang terletak antara 600 dan 900 cm−1 disebabkan oleh pembentukan ikatan Cu:Ag [63]. Band yang diamati sekitar ~ 1200 dan 1400 cm−1 dikaitkan dengan C–O dan C–H, masing-masing; puncak yang muncul pada ~ 1800 dan 2100 cm−1 sesuai dengan ikatan C=O dan N–H karena PVP dan NH4OH [64]. Transmitansi yang diamati sekitar ~ 2800 cm−1 dan 3400 cm−1 disebabkan oleh kehadiran C≡N dan grup hidroksil (O–H) [64].
Gambar 4a menunjukkan spektrum penyerapan NP bimetalik Ag–Cu dengan band penyerapan yang jelas yang terletak pada 340, 410, dan 500 nm, yang disebabkan oleh resonansi plasmon permukaan penyerapan Ag dan Cu logam [52]. Band yang muncul pada 410 nm biasanya timbul karena kehadiran NP Ag, dan puncak terakhir yang terletak pada 510 nm dikaitkan dengan kehadiran NP Cu [52, 57,58,59, 65,66,67]. Dapat disarankan bahwa NP bimetalik dikembangkan dengan fase Ag dan Cu yang berbeda, bukan pengembangan bimetalik yang juga dikonfirmasi oleh hasil XRD seperti yang dibahas sebelumnya [52]. Perubahan merah sedikit pada band penyerapan pada 410 nm dan peningkatan penyerapan maksimum dengan meningkatnya kandungan Ag diamati [58]. Menggunakan persamaan Tauc,
di mana α dianggap sebagai koefisien penyerapan [2,303 log(T/d), T adalah cahaya yang ditransmisikan dan d menunjukkan tekanan sel sampel], h melambangkan konstanta Planck (6,62607015 × 10−34 Js), \(\nu\) adalah frekuensi cahaya, K menunjukkan indeks penyerapan, dan Eg sama dengan energi jarak sempit dalam eV. Nilai “n” terkait dengan jenis transisi elektronik jarak sempit [13, 26, 68, 69]. Jarak sempit produk bimetalik yang disiapkan dihitung dan ditemukan sebesar 3,2, 2,9, 2,7, dan 2,6 eV, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4b–e.
Spektrum UV–Vis yang diperoleh dari bimetalik b–e Analisis plot Tauc
Dari citra SEM (Gambar 5a–d) dari nanokomposit bimetalik Cu:Ag yang baru disintesis, diamati bahwa partikel berukuran kecil tersimpan pada permukaan partikel besar. Peningkatan kandungan Ag dari 2,5 hingga 7,5% menyebabkan pembentukan berbagai partikel dengan morfologi yang bervariasi yang akhirnya berkulminasi menjadi NP Cu:Ag yang bersih. Lebih lanjut, akumulasi partikel Ag yang tidak merata dan kecil ditingkatkan dengan meningkatnya konsentrasi dopan yang menunjukkan penampilan blok-blok yang lebih berserakan pada permukaannya. Ini menunjukkan pengaruh utama yang dilakukan oleh doping Ag ke Cu terhadap morfologi, yang kemudian dikonfirmasi dengan mikrograf HR-TEM (lihat Gambar 5e–h).
a–d Citra SEM yang diperoleh dari produk yang disiapkan, e–h Mikrograf HR-TEM
Untuk membahas lebih lanjut morfologi dan d-spacing dari bimetalik yang disiapkan, HR-TEM dengan resolusi 10 nm digunakan. Pada Gambar 6a, d-spacing (0,21 nm) NP Cu sesuai dengan aspek (111) Cu, sebagaimana juga terlihat pada hasil XRD (Gambar 3a). Gambar 6b menggambarkan peningkatan kecil pada spasi lapisan (0,21 hingga 0,22 nm) dan menunjukkan NP Ag dengan jarak interplanar 0,24 nm yang cocok dengan bidang (111). Demikian pula, Gambar 6c, d menunjukkan spasi lapisan yang dihitung dan fase terpisah dari bimetalik sementara Gambar 6e menunjukkan bentuk partikel NP Ag dan Cu. Partikel dalam citra HR-TEM terlihat memiliki struktur core–shell. Pada Gambar 6d di dalam satu partikel, batas jaringan yang berasal dari Cu dan Ag direkam. Ini sangat mengindikasikan pembentukan NP bimetalik core–shell dengan berbagai rasio Cu:Ag yang menghasilkan NP quasi-spherical tidak teratur. Lebih lanjut, citra TEM menunjukkan partikel terlihat seperti wilayah gelap dan terang. Variasi kontras ini di dalam satu partikel dapat menunjukkan kehadiran dua bahan konstituen yang berbeda yang menunjukkan penciptaan partikel bimetalik Cu:Ag [70, 71].
a–d Citra HR-TEM (10 nm) untuk pengukuran d-spacing untuk semua sampel yang disiapkan, e citra magnitudo rendah yang menunjukkan partikel bimetalik
Kehadiran puncak yang berbeda dalam spektrum EDS dan komposisi elemen yang berasal dari bimetalik mengonfirmasi pembentukan NP Cu:Ag yang berhasil. Gambar 7a mewakili spektrum EDS yang diperoleh dari sampel 1:0.050 yang menunjukkan puncak Cu dan Ag yang jelas. Gambar 7b diambil dari sampel 1:010 di mana puncak C dan O terdeteksi dalam sampel yang didoping. Ini muncul karena tab karbon digunakan untuk memegang sampel selama pemeriksaan SEM dan/atau karena hitungan latar belakang dalam sensor SEM–EDS.
Profil EDS yang diperoleh dari NP bimetalik
Efektivitas bakterisidal in vitro NP bimetalik Cu:Ag menggunakan uji difusi lubang agar ditampilkan dalam Tabel 1. Hasilnya menunjukkan hubungan proporsional langsung antara konsentrasi NP yang disintesis dan zona inhibi (mm). Zona inhibi yang signifikan secara statistik (P < 0,05) yang direkam untuk dopan Ag (2,5, 5, 7,5 dan 10 wt%) terhadap S. aureus, E. coli dan A. baumannii berkisar 0,85–2,8 mm, 0,55–1,95 mm dan 0,65–1,85 mm, masing-masing, lihat Tabel 1. Semua hasil dibandingkan dengan DIW (0 mm) dan amoksisilin (4 mm) sebagai kontrol negatif dan positif, masing-masing. Demikian pula, % efektivitas NP yang didoping meningkat (21,2–70%), (13,7–48,7%) dan (16,2–46,2%) terhadap S. aureus, E. coli dan A. baumannii, masing-masing. Secara keseluruhan, NP bimetalik Cu:Ag ditemukan lebih potens terhadap S. aureus (yaitu gram +) dibandingkan E. coli dan A. baumannii (yaitu gram −).
Ukuran, konsentrasi, dan bentuk NP secara langsung mempengaruhi stres oksidatif yang dihasilkan oleh nanostruktur. Efektivitas bakterisidal dalam bentuk zona inhibi (mm) meningkat karena doping wt% Ag yang lebih besar pada NP bimetalik Cu yang didoping Ag karena ketersediaan kation (++) yang meningkat. Tindakan bakterisidal terkait ukuran dan konsentrasi menggambarkan hubungan terbalik terhadap ukuran [58, 59]. Nanostruktur menghasilkan spesies reaktif oksigen (ROS) secara efisien yang tinggal dalam membran sel bakteri yang mengakibatkan ekstrusi organel sel dan akhirnya kematian bakteri [60]. Selain produksi ROS, interaksi kationik Ag+ dan Cu++ dengan bagian yang bermuatan negatif dari membran sel bakteri menghasilkan efektivitas bakterisidal yang ditingkatkan pada konsentrasi yang meningkat melalui lisis sel dan kerusakan bakteri [58, 61].
Aplikasi biologis dari berbagai kelas nanopartikel telah dipelajari secara luas selama beberapa dekade terakhir. Karena karakteristik unik dari NP, mereka telah banyak digunakan untuk potensinya sebagai agen bakterisidal dengan kemampuan untuk mengganti antibiotik tradisional. NP berinteraksi dengan sel bakteri, mengganggu permeabilitas membran sel dan menghancurkan jalur metabolik kunci [72]. Mekanisme spesifik toksisitas nanopartikel terhadap bakteri perlu dieksplorasi. Dipercaya bahwa NP berinteraksi dengan sel bakteri melibatkan gaya elektrostatis, gaya van der Waals atau interaksi hidrofobik yang pada akhirnya mengakibatkan kematian bakteri. Enzim telah dilaporkan sebagai faktor virulensi utama yang terlibat dalam infeksi bakteri dan menargetkannya untuk menghambat aktivitas mereka membantu dalam mengatasi infeksi yang timbul [73]. Di sini, studi molecular docking NP Cu:Ag terhadap target enzim dari dinding sel bersama jalur biosintesis asam lemak mengidentifikasi pola interaksi binding dari NP ini di dalam kantong aktif. Dengan mempertimbangkan potensi antibakteri in vitro dari NP ini terhadap A. baumannii, S. aureus dan E. coli, target enzim dipilih dari mikroorganisme ini untuk mendapatkan wawasan tentang mekanisme yang mungkin di balik aktivitas bakterisidal mereka.
Konformasi docking terbaik yang diamati dalam kasus NP Bimetalik Cu:Ag dengan β-laktamase dari A. baumannii mengungkapkan interaksi ikatan hidrogen dengan Glu272 (2,8 Å) dan Ser286 (3,2 Å) bersama interaksi kontak logam dengan Val292 sementara skor docking adalah − 4,013 kcal/mol (Gambar 8a). Demikian pula, skor binding dari NP bimetalik Ag–Cu yang diamati terhadap β-laktamase dari S. aureus adalah − 4,981 kcal/mol yang memiliki interaksi ikatan hidrogen dengan Ser403 (3,2 Å), Tyr519 (3,6 Å), Gln521 (3,0 Å) dan Asn464 (3,1 Å) seperti yang ditunjukkan pada Gambar 8b.
Pola interaksi binding NP bimetalik Ag–Cu di dalam kantong aktif. a β-laktamase dari A. baumannii, b β-laktamase dari S. aureus. c, d Pola interaksi binding NP bimetalik Ag–Cu di dalam kantong aktif c enoyl-[asetil-karier-protein] redutase (FabI) dari A. baumannii, d enoyl-[asetil-karier-protein] redutase (FabI) dari S. aureus, e pola interaksi binding NP bimetalik Ag–Cu di dalam kantong aktif FabH dari E. coli
Target enzim kedua yang dipilih dalam penelitian saat ini FabI termasuk dalam jalur biosintesis asam lemak dan prediksi molecular docking menyarankan NP bimetalik Cu:Ag sebagai inhibitor potensial terhadap target ini. NP Bimetalik Cu:Ag menunjukkan skor binding yang baik (-3,385 kcal/mol) terhadap FabI dari A. baumannii yang memiliki ikatan hidrogen dengan Ser201 (2,7 Å), Ala199 (3,5 Å), dan Leu198 (3,3 Å) seperti yang digambarkan pada Gambar 8c. Demikian pula, konformasi docking terbaik dari NP Ag–Cu dengan situs aktif FabI dari S. aureus menunjukkan ikatan hidrogen dengan Gly202 (2,5 Å) dan Gln155 (2,5 Å) dengan skor binding − 3,012 kcal/mol (Gambar 8d).
Selain itu, kapasitas binding NP bimetalik Cu:Ag terhadap FabH dari E. coli juga dievaluasi dan skor binding yang diamati adalah − 4,372 kcal/mol yang memiliki interaksi ikatan hidrogen dengan Thr254 (3,5 Å), HIE244 (2,6 Å) dan Glu302 (3,0 Å) yang ditunjukkan pada Gambar 8e.
Kesimpulan
Nanopartikel bimetalik Cu:Ag disiapkan melalui metode co-precitation untuk digunakan dalam aplikasi untuk mengatasi penyakit yang terkait dengan bakteri. Profil XRD mengonfirmasi kehadiran partikel CuO dan Cu serta Ag yang terstruktur fcc. Keduanya puncak Ag dan Cu diamati yang menunjukkan NP bimetalik yang melibatkan fase Ag dan Cu. Bidang yang diamati dalam analisis XRD cocok dengan cincin SAED. Grup kimia yang melampirkan produk yang diformulasikan dan band transmitansi karakteristik antara 600 dan 900 cm−1 disebabkan oleh pembentukan ikatan Cu:Ag. Spektrum yang dikaitkan UV–vis menunjukkan penyerapan pada 410 nm yang biasanya timbul karena kehadiran NP Ag, dan puncak terakhir yang terletak pada 510 nm dikaitkan dengan kehadiran NP Cu. Partikel dalam citra HR-TEM terlihat memiliki struktur core–shell. NP Cu:Ag dengan jelas menunjukkan pembentukan NP bimetalik dengan berbagai rasio Cu:Ag yang menghasilkan NP quasi-spherical tidak teratur. Lebih lanjut, d-spacing NP Cu yaitu 0,21 nm sesuai dengan aspek (111) Cu yang terdeteksi dalam hasil XRD. Peningkatan kecil pada spasi lapisan (dari 0,21 hingga 0,22 nm) juga menunjukkan bahwa NP Ag dengan jarak lapisan 0,24 nm cocok dengan bidang (111). Studi molecular docking menunjukkan kesepakatan yang baik dengan aktivitas bakterisidal in vitro. Kecenderungan binding NP bimetalik Cu:Ag terhadap enzim β-laktamase dari jalur biosintesis dinding sel bersama enzim FabI dan FabH dari jalur biosintesis asam lemak menunjukkan potensi inhibisi mereka yang perlu dieksplorasi lebih lanjut melalui studi inhibisi enzim.
