Antimicrobial activity and characterization of silver nanoparticles synthesized by endophytic actinobacterium micromonospora sp.cpm1

Abstract

Silver nanoparticles (AgNPs) have attracted attention due to their important role in nanoscience and nanotechnology, especially in nanomedicine. Modern approaches using AgNPs show promise for the discovery and formulation of a variety of new drugs with antibacterial and antifungal activities. Various physical, chemical, and biological methods are used to synthesize AgNPs. The synthesis of AgNPs by biological methods is simple, fast, inexpensive, nontoxic, and environmentally friendly comparing to chemical and physical methods. In this thesis study, silver nanoparticles were synthesized by a carotenoid-producing actinobacterium, CPM1, isolated from endophytic tissues of Polygonum maritimum L. Strain CPM1 was identified as a member of the genus Micromonospora, being most closely related to Micromonospora tulbaghiae DSM 45142T , by the 16S rRNA gene analysis. The synthesized AgNPs were characterized by UV-vis, FTIR, SEM and SEM-EDX analyses. The UV-vis analysis showed that the AgNPs have maximum absorbance at 439 nm. The SEM analysis revealed that the nanoparticles synthesized by Micromonospora sp. CPM1 are regularly spherical and 15-30 nm in average size. The antimicrobial activity analysis of the silver nanoparticles was performed against Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter faecalis and Candida albicans pathogens. The silver nanoparticles synthesized by Micromonospora sp. CPM1 inhibited the growth of Bacillus cereus and Candida albicans. In addition, the whole-genome sequence of Micromonospora sp. CPM1 was downloaded from NCBI GenBank and annotated on the RAST server (https://rast.nmpdr.org/). The genome size of strain Micromonospora sp. CPM1 was about 6.4 Mb and GC% was 73.2%. The total number of protein-coding and RNA-coding sequences were determined as 6101 and 59, respectively. A whole-genome-based phylogenomic analysis conducted on the TYGS server (https://tygs.dsmz.de/) confirmed that Micromonospora sp. CPM1 was closely related to Micromonospora tulbaghiae DSM 45142T . A comprehensive annotation for secondary metabolite-coding gene clusters on the antiSMASH server (https://antismash.secondarymetabolites.org/#!/start) revealed that the genome of Micromonospora sp. CPM1 encodes for 14 biosynthetic gene clusters coding for terpenes, lantipeptides, polyketides, nonribosomal peptides and a siderophore. In conclusion, it is considered that Micromonospora sp. CPM1 is a promising source to synthesize silver nanoparticles with potential applications in pharmaceutical industry.

Gümüş nanopartikülleri nanobilim, nanoteknoloji ve özellikle nanotıptaki önemli işlevlerinden dolayı ilgi çekmektedir. Gümüş nanopartiküllerini kullanan modern yaklaşımlar, antibakteriyel ve antifungal aktiviteye sahip yeni ilaçların keşfi ve formulasyonu için umut vadetmektedir. Gümüş nanopartikülü sentezi için çeşitli fiziksel, kimyasal ve biyolojik yöntemler kullanılmaktadır. Kimyasal ve fiziksel yöntemlere kıyasla biyolojik yöntemlerle gümüş nanopartikülü sentezi basit, hızlı, ucuz, zararsız ve çevre dostudur. Bu tez çalışmasında, gümüş nanopartikülleri Polygonum maritimum L. endofitik dokularından izole edilen ve karotenoid pigment üreten bir aktinobakteri izolatı olan CPM1 tarafından sentezlendi. 16S rRNA gen analizi ile CPM1 suşunun Micromonospora cinsinin üyesi olduğu ve Micromonospora tulbaghiae DSM 45142T türü ile yakın ilişkili olduğu tespit edilmiştir. Sentezlenen gümüş nanopartikülleri UV-vis, FTIR, SEM ve SEM-EDX analizleri ile karakterize edilmiştir. UV-vis analizi, gümüş nanopartiküllerinin 439 nm’de maksimum absorpsiyona sahip olduğunu göstermiştir. SEM analizi, Micromonospora sp. CPM1 tarafından sentezlenen gümüş nanopartiküllerinin düzenli küresel biçimde ve ortalama 15-30 nm boyutta olduğunu göstermiştir. Gümüş nanopartiküllerinin antimikrobiyal aktivitesi Bacillus cereus, Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa, Enterobacter faecalis ve Candida albicans patojenlerine karşı gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, Micromonospora sp. CPM1’in tüm genom dizisi NCBI GenBank’tan indirilerek RAST sunucusunda (https://rast.nmpdr.org/) annote edilmiştir. Micromonospora sp. CPM1’in genom boyutu yaklaşık 6.4 Mb ve GC içeriği %73.2 olarak tespit edilmiştir. Protein kodlayan dizilerin sayısı 6101, RNA kodlayan dizilerin sayısı 59 olarak tespit edilmiştir. TYGS sunucusunda (https://tygs.dsmz.de/) gerçekleştirilen tüm genoma dayalı filogenetik analiz, Micromonospora sp. CPM1’in Micromonospora tulbaghiae DSM 45142T ile yakın ilişkili olduğunu doğrulamıştır. Micromonospora sp. CPM1’in antiSMASH sunucusunda (https://antismash.secondarymetabolites.org/#!/start) sekonder metabolit kodlayan genlerin tespiti için gerçekleştirilen kapsamlı analizi, Micromonospora sp. CPM1’in terpen, lantipeptid, poliketid, ribozomal olmayan peptid ve siderofor kodlayan 14 biyosentetik gen kümesine sahip olduğunu göstermiştir. Sonuç olarak, Micromonospora sp. CPM1 tarafından sentezlenen gümüş nanopartiküllerinin farmasötik endüstride uygulama alanı bulabilecek gümüş nanopartiküllerinin sentezi için verimli bir kaynak olduğu değerlendirilmektedir.