《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Sustainable phycosynthesis of copper oxide nanoparticles from
Arthospira platensis: Synergistic computational and experimental bioactivity evaluation
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本研究以Arthospira platensis提取物为媒介合成铜氧化物纳米颗粒（AP-CuONPs），并通过物理化学分析和生物活性评估，发现其具有显著的抗菌、抗氧化和抗炎活性。GC-MS分析鉴定出34种生物活性化合物，其中3种与酶的分子对接显示高亲和力，提示AP-CuONPs在生物医学领域有应用前景。
S. Md. Azharuddin|C. Madhuri|N. Rajesh|K. Riazunnisa
印度安得拉邦卡达帕市Yogi Vemana大学生物技术和生物信息学系，邮编516005
摘要
近年来，源自藻类的纳米颗粒的可持续合成、生物相容性及其潜在的生物医学应用受到了广泛关注。本研究描述了利用Arthospira platensis提取物制备氧化铜纳米颗粒的方法，并对其体外和计算机模拟（in silico）中的生物活性进行了评估。A. platensis甲醇提取物的GC-MS分析共鉴定出34种植物化合物。通过紫外-可见光谱、FESEM、TEM、DLS、ζ电位、FTIR和TGA分析对Arthospira platensis氧化铜纳米颗粒（AP-CuONPs）的物理化学性质进行了研究。SEM和TEM分析显示，AP-CuONPs呈球形，粒径范围为25至40纳米；DLS分析表明其平均粒径为99.56纳米，粒径分布指数（PDI）为0.216，ζ电位约为-22.3毫伏，证实了其良好的流体动力学稳定性。TGA分析显示在400摄氏度以上没有明显的重量损失，表明这些纳米颗粒具有热稳定性。AP-CuONPs表现出较强的抗氧化能力和抗菌活性，对S. typhimurium的最大抑制圈为26.8±0.2毫米。S. typhimurium的最低抑菌浓度（MIC）和最低杀菌浓度（MBC）分别为70和85微克/毫升，SEM分析还证实了细菌细胞膜的损伤。AP-CuONPs对S. typhimurium的抗菌膜形成能力为64%，而在500微克/毫升浓度下其抗炎活性为63%。此外，通过ADMET-AI软件对GC-MS鉴定出的化合物进行了药物性质评估。分子对接研究表明，喹啉、4-硝基苯和3-氟苯分别与谷胱甘肽还原酶、DNA旋转酶和COX-2蛋白具有显著的结合亲和力（结合自由能分别为-8.4、-8.9和-10.4千卡/摩尔）。这些发现表明AP-CuONPs具有多种功能性生物活性，为未来的生物医学应用带来了巨大潜力。
引言
纳米尺度（1至100纳米）的物质研究被称为纳米技术。纳米颗粒（NPs）与块状材料相比具有改进的性能，如更小的粒径、特定的形态、更均匀的分布以及更高的表面积与体积比[1]。纳米颗粒的合成方法包括物理方法（超声波处理、电子束处理、辐射处理、喷雾热解）和化学方法（溶胶-凝胶法、水热法、化学还原法），但这些方法往往涉及对环境有害的化学物质[2]。因此，迫切需要开发替代的纳米颗粒合成方法。近年来，绿色合成方法因其低成本、环保性和可重复性而受到越来越多的重视。细菌、真菌、植物和藻类被广泛用于纳米颗粒的绿色合成。这些生物提取物中含有多种生物活性成分，如酶、蛋白质、多糖、氨基酸、多酚、酮类和醛类，它们在纳米颗粒合成过程中起到稳定和还原作用，从而实现所需的尺寸和形态。其中，以微藻为媒介的纳米颗粒合成方法日益受到关注。
利用藻类生物分子而非有毒化学还原剂进行金属和金属氧化物纳米颗粒的绿色合成是一种环保且可持续的方法。藻类含有多种生物活性化合物，可作为天然的还原剂、包覆剂和稳定剂。合成纳米颗粒时，将前体金属盐溶液与藻类提取物共孵育。藻类中的色素、抗氧化剂、藻胆素、油脂、矿物质、叶绿素、碳水化合物、脂质、蛋白质和多不饱和脂肪酸等成分有助于将金属离子还原至零价状态。生物还原过程的激活阶段涉及金属离子的还原以及由藻类细胞释放的酶介导的成核作用，这一过程可通过溶液颜色的变化直观观察到。随后进入生长阶段，成核的金属原子聚集形成不同尺寸和形状的热稳定纳米颗粒。在最终阶段，纳米颗粒形成稳定的形态。温度、pH值、时间、静置条件、底物浓度和搅拌等因素显著影响纳米颗粒的物理性质[35]。
藻类是微小的、非致病性的丝状原核生物，在全球范围内被广泛培养和商业化利用。它们富含维生素、玉米黄质、矿物质、蛋白质、多不饱和脂肪酸、黄质类化合物、藻胆蛋白、抗坏血酸和类胡萝卜素[3],[4]。如今，以藻类为媒介的纳米颗粒合成方法因所需时间短而受到青睐；藻类可作为生物纳米工厂，有助于重金属的生物修复，并能在恶劣环境中生长。这些特性使藻类成为生产纳米颗粒的最佳来源[5],[6]。以往用于纳米颗粒合成的藻类包括Spatoglossum asperum[7]、Coelastrella terrestris[8]、Halymenia dilatate[9]、Zygnema属[10]、Euphorbia serpens[11]、Sargassum提取物[12]、Padina[13]、Hypnea pannosa[14]、Sargassum wightii[15]、Sargassum cymosum[16]。在本研究中，使用Arthospira platensis来合成纳米颗粒。该藻类含有多种生物活性成分，如藻胆蛋白，具有抗菌、抗氧化和抗炎作用[17],[18]。藻类纳米颗粒具有导热性、较大的表面积、电荷、特定的尺寸和形状、晶体结构以及ζ电位。这些特性使其能够应用于生物医学和生物技术领域，以及将有毒金属转化为无毒形式[19],[20]。藻类纳米颗粒被应用于电子、化妆品、工业和医疗领域，如诊断和治疗。
目前的治疗手段主要依赖抗生素，但这存在诸多问题，包括多重耐药细菌的出现、抗生素耐药基因在环境中的积累以及胃肠道微生物群落的失衡。人类过量使用抗生素可能导致中毒、过敏、休克甚至死亡[21]。多重耐药、广谱耐药和全耐药细菌的普遍存在使得传统治疗方法失效。因此，需要寻找更安全、更有效的抗生素替代品[22]。在这方面，氧化铜纳米颗粒（CuONPs）因广谱抗菌效果[23],[24]和多功能治疗特性而在生物医学领域受到关注。CuONPs属于单斜晶系半导体，具有窄带隙（1.2-2.0电子伏特）、低成本、易于生产、无毒、良好的光学性能、光电导性、热稳定性和磁性能[25]。由于其结构可调节，CuONPs在大小控制和各向异性方面表现出优异的性能[26]。这些特性使它们在生物医学领域有广泛的应用，如杀菌、杀死癌细胞、为表面提供光电导性和光伏性能涂层。然而，CuONPs的复杂性质也给其细胞毒性评估带来了挑战。除了抗菌作用外，CuONPs还被发现具有抗病毒[27]和抗癌[29],[30],[31]作用，通过诱导氧化应激、线粒体功能障碍和癌细胞凋亡等机制发挥作用，成为未来肿瘤治疗的潜在候选物。
大型药物递送材料面临诸多问题，如体内稳定性差、生物利用度低、吸收和溶解性不佳。因此，寻找新的药物递送系统至关重要。近年来，分子对接技术在药物发现领域受到重视，该技术节省了资源和时间，为将有前景的药物推向临床应用提供了可能。本研究利用分子对接技术筛选出A. platensis提取物中能够抑制细菌蛋白的有效成分。
本研究的目标是利用A. platensis制备氧化铜纳米颗粒（AP-CuONPs），并通过紫外-可见光谱、高分辨率透射电子显微镜（HRTEM）、扫描电子显微镜（SAED）、动态光散射（DLS）、傅里叶变换红外光谱（FTIR）、ζ电位和热重分析（TGA）对其性质进行表征。AP-CuONPs的生物特性评估包括体外抗菌、抗氧化和抗炎活性研究。此外，还通过计算机模拟（in silico）方法评估了A. platensis中的植物化合物对谷胱甘肽还原酶、DNA旋转酶和COX-2蛋白的抑制作用。关于A. platensis来源的CuONPs的文献非常有限。本研究的重要性在于展示了环保型CuONPs的应用，并通过结合计算机模拟和体外实验方法评估了其抗菌、抗氧化、抗菌膜形成和抗炎特性。
材料
Arthospira platensis采自安得拉邦库尔努尔市Dhone的Spirulina Entrepreneurs Research Centre。标本由Yogi Vemana大学植物学系标本馆主任Dr. A. Madhusudhana Reddy鉴定（标本编号为YVU/KR-5377）。硫酸铜五水合物（CuSO4·5H2O）、钼酸铵、DPPH（1,1-二苯基-2-联苯肼）和抗坏血酸均从相关机构采购。
GC-MS分析
A. platensis提取物的GC-MS分析共鉴定出34种生物活性化合物（见表1和图2），包括酚类、生物碱、脂肪酸、萜类等化合物，这些化合物具有重要的生物意义和治疗潜力。Eker等人[56]对A. platensis的GCMS分析表明，其中某些挥发性化合物具有抗氧化、抗菌和抗真菌活性。
利用A. platensis提取物绿色合成CuONPs
在绿色合成过程中，将藻类提取物与硫酸铜（CuSO4）混合进行反应。
结论
本研究通过绿色合成方法成功制备了氧化铜纳米颗粒，并与原始提取物进行了详细比较。物理表征结果显示，AP-CuONPs呈球形，粒径范围为25至40纳米，粒径分布指数（PDI）为0.216，表明其具有良好的均匀性；ζ电位为-22.3毫伏，显示出良好的稳定性。此外，AP-CuONPs具有较高的抗氧化活性。
作者贡献声明
K. Riazunnisa：撰写、审稿与编辑、监督、概念构思。N. Rajesh：撰写初稿、数据管理。C. Madhuri：撰写初稿、方法设计、数据管理。S. Md. Azharuddin：撰写初稿、方法设计、实验研究、数据分析。
写作过程中使用生成式AI和AI辅助技术的声明
作者使用Grammarly工具纠正语言错误，提高拼写、语法和清晰度。该工具还检测了抄袭情况并提供了改进建议，确保了内容的高质量。人类专业知识和AI技术的结合显著提升了手稿的质量。
利益冲突
作者声明没有利益冲突。
利益冲突声明
作者声明没有可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
