[논문 리뷰] Remarkable antibacterial activity of reduced graphene oxide functionalized by copper ions

Yusong Tu, Pei Li외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 20.

Graphene and Nanomaterials Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 카이온-π 상호작용를 통해 coppe ion으로 기능화된 감소된 그래핀 옥사이드(rGO)가 자유 상태의 Cu²⁺ 이온보다 100배 이상 강력한 선택적 항균 활성을 보이며, 체세포에 독성이 없는 것으로 밝혀졌다. rGO는 박테리아 표면에 Cu²⁺ 이온을 운반하고 집중시키며, 이를 통해 Cu⁺로의 산화환원 반응 사이클을 유도하여 표적화된 산화 손상을 유도함으로써 항균 효과를 향상시킨다.

ABSTRACT

Despite long-term efforts for exploring antibacterial agents or drugs, it remains challenging how to potentiate antibacterial activity and meanwhile minimize toxicity hazards to the environment. Here, we experimentally show that the functionality of reduced graphene oxide (rGO) through copper ions displays selective antibacterial activity significantly stronger than that of rGO itself and no toxicity to mammalian cells. Remarkably, this antibacterial activity is two orders of magnitude greater than the activity of its surrounding copper ions. We demonstrate that the rGO is functionalized through the cation-$π$ interaction to massively adsorb copper ions to form a rGO-copper composite in solution and result in an extremely low concentration level of surrounding copper ions (less than ~0.5 $μM$). These copper ions on rGO are positively charged and strongly interact with negatively charged bacterial cells to selectively achieve antibacterial activity, while rGO exhibits the functionality to not only actuate rapid delivery of copper ions and massive assembly onto bacterial cells but also result in the valence shift in the copper ions from Cu$^{2+}$ into Cu$^{+}$ which greatly enhances the antibacterial activity. Notably, this functionality of rGO through cation-$π$ interaction with copper ions can similarly achieve algaecidal activity but does not exert cytotoxicity against neutrally charged mammalian cells. The remarkable selective antibacterial activity from the rGO functionality as well as the inherent broad-spectrum-antibacterial physical mechanism represents a significant step toward the development of a novel antibacterial material and reagent without environmental hazards for practical application.

연구 동기 및 목표

• 인간 세포에 대한 독성을 최소화하면서도 매우 효과적이고 환경에 안전한 항균제를 개발하기 위해.
• 기존 항균제의 한계인 낮은 활성도와 환경 오염 위험을 극복하기 위해.
• 표면 기능화를 통해 rGO가 금속 이온의 항균 활성을 향상시키고 지시하는 방식을 탐구하기 위해.
• rGO- Copper 복합체가 박테리아 세포를 선택적으로 공격하면서도 체세포를 보호하는 메커니즘을 조사하기 위해.
• rGO- Copper 시스템이 실용적 응용이 가능한 광범위한 항균 물질로 잠재력을 보일 수 있음을 입증하기 위해.

제안 방법

• 수용액에서 카이온-π 상호작용를 통해 rGO에 Cu²⁺ 이온을 기능화하는 것.
• 제어된 구리 이온 농도를 가진 rGO-Cu 복합체를 합성하고 XPS 및 제타 포텐셜 측정을 통해 특성 분석하는 것.
• 표준 배양 및 생존도 분석을 통해 그람 양성균(S. aureus)과 그람 음성균(E. coli)에 대한 항균 활성 평가.
• 선택성을 평가하기 위해 체세포(예: HEK293)에 대한 세포독성 평가.
• 복합체 형성 후에 용액 내 자유 Cu²⁺ 이온 농도를 ICP-MS를 사용해 정량하여 낮은 수준(~<0.5 µM)임을 확인하는 것.
• X선 광전자 분광법(XPS)을 활용해 rGO 표면에서의 구리 이온 산화 상태 변화(Cu²⁺에서 Cu⁺로의 전환)를 조사하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 rGO에 구리 이온이 기능화된 경우 자유 상태의 Cu²⁺ 이온보다 상당히 향상된 항균 활성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 rGO와 Cu²⁺ 사이의 카이온-π 상호작용이 박테리아 세포를 체세포보다 선택적으로 공격하는 데 어떻게 기여하는가?
• RQ3 rGO는 Cu²⁺에서 Cu⁺로의 산화환원 전환을 어떻게 촉진하며, 이 과정이 항균 효과를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 rGO-Cu 복합체는 용액 내 자유 Cu²⁺ 이온의 농도를 어느 정도 감소시켜 환경 독성을 최소화하는가?
• RQ5 rGO-Cu 시스템은 중성 체세포에 독성이 없이도 조류 살해 활성을 보일 수 있는가?

주요 결과

• rGO-Cu 복합체는 동일 농도에서 자유 상태의 Cu²⁺ 이온보다 항균 활성이 100배 이상 높았다.
• rGO 기능화 후 용액 내 자유 Cu²⁺ 이온 농도는 약 ~0.5 µM 이하로 감소하여 효율적인 고정화가 이루어졌음을 나타냈다.
• rGO 표면의 구리 이온은 양전하를 띠며, 음전하를 띤 박테리아 세포막과 강하게 끌어당겨 표적 전달이 가능했다.
• XPS 분석을 통해 rGO 표면에서의 구리 산화 상태가 Cu²⁺에서 Cu⁺로 전환된 것이 확인되었으며, 이는 산화 스트레스를 증가시키고 항균 효과를 향상시켰다.
• rGO-Cu 복합체는 체세포(예: HEK293)에 대해 독성이 없었으며, 높은 선택성을 보였다.
• 이 시스템은 광범위한 항균 활성을 보였고, 조류 살해 효과까지 나타내어 환경 및 생물의학적 응용 분야 잠재력을 확인했다.