항생제 내성균의 증가와 식품 사슬 내 약물 잔류는 전 지구적 공중보건 위기를 초래하고 있습니다. 기존 항생제의 효과가 떨어지면서 새로운 항균제 개발이 시급합니다. 산화구리(CuO) 나노입자(NP)는 입증된 항균 특성을 가진 다재다능한 무기 플랫폼입니다. 본 연구에서는 생강(Zingiber officinale, ZO)과 마늘(Allium sativum, AS) 추출물을 다양한 농도로 도핑하여 녹색 합성법으로 CuO NP를 제조했습니다. 이렇게 만들어진 생물학적 NP를 소 유방염에서 분리한 병원성 대장균(Escherichia coli) 균주에 대해 평가했습니다. 데이터는 생강 도핑 CuO NP가 특히 6mL:1 추출 비율에서 우수한 살균 활성을 보임을 확인시켜주며, 기존 항생제에 대한 비용 효율적이고 친환경적인 대안임을 강조합니다.
마늘과 생강 같은 약용 식물은 강력한 항산화 및 항균 효과를 부여하는 페놀 화합물이 풍부합니다. 생강에는 진저롤, 쇼가올, 커큐민이, 마늘에는 알리신 등 황 함유 분자가 있어 다제내성(MDR) 균주를 포함한 광범위한 활성을 나타냅니다(참고문헌 [1]~[6]).
나노기술은 독특한 물리화학적 특성을 가진 소재 설계 가능하게 합니다. 산화구리 나노입자는 반도체 특성과 박테리아 막을 파괴하는 활성산소종(ROS) 생성 능력 덕분에 항균제, 약물 전달, 광촉매, 센서 등 다양한 용도로 연구되어 왔습니다(참고문헌 [10]~[15]).
대장균은 수의학과 인의학에서 핵심 병원체입니다. 젖소에서 ESBL이나 AmpC β-락타마제를 생성하는 MDR 대장균 균주는 유방염을 일으켜 막대한 경제적 손실을 초래합니다(참고문헌 [18]~[25]). 이러한 과제는 기존 내성 메커니즘을 우회하는 새로운 항균제의 시급함을 강조합니다.
여기서 우리는 생강과 마늘 추출물로 도핑된 녹색 합성 CuO NP를 대장균 감염 제어용 항생제 대안으로 탐구합니다.
목적은 식물 화학적으로 환원된 CuO NP의 생강·마늘 뿌리 추출물과 소 유방염 유래 대장균 분리주에 대한 살균 효능을 평가하는 것입니다.
화학적으로 합성된 CuO NP(Sigma-Aldrich)와 건조 생강·마늘 뿌리(라호르 시장)를 사용했습니다. 표준 배지와 분석 시약을 수정 없이 사용했습니다.
뿌리를 분쇄해 증류수와 1:10 비율로 혼합, 70℃에서 30분 교반, 여과지(Whatman No.1)로 여과, 냉각 후 4℃ 보관했습니다(그림 1a).
0.1M 질산구리 용액에 ZO 또는 AS 추출물 3, 6, 12mL를 지속 교반하며 혼합했습니다. pH를 2M NaOH로 12로 조절한 후 90℃에서 2시간 가열해 침전물을 생성시켰습니다. 원심분리(10,000rpm, 20분), 세척, 90℃에서 하룻밤 건조했습니다(그림 1b).
UV-vis 흡수(200~500nm)는 GENESYS-10S 분광광도계로 측정했습니다. X선 회절(XRD)은 Bruker D2 Phaser(Cu Kα, λ=1.540Å)로 수행했습니다. 푸리에 변환 적외선(FTIR) 스펙트럼은 ATR-FTIR로 얻었습니다. 주사전자현미경(SEM)과 에너지 분산형 X선 분광법(EDS)은 JSM-6610LV로, 고분해능 투과전자현미경(HRTEM)과 선택영역 전자회절(SAED)은 JEOL JEM-2100F로 수행했습니다. X선 광전자 분광법(XPS)으로 원소 상태를 확인했습니다.
임상 유방염이 있는 소와 물소에서 여러 농장으로부터 우유 시료를 채취했습니다.
MacConkey 한천으로 배양 후 집락을 서브컬처하고 NCCLS 지침에 따라 항생제 감수성 검사를 수행했습니다.
그람 염색, 형태학적 평가, 생화학적 검사(메틸 레드, 카탈라아제)로 대장균 분리주를 확인했으며, EMB 한천에서의 증식으로 재확인했습니다.
10개의 병원성 대장균 분리주에 대해 디스크 확산법을 실시했습니다. 페트리 접시에 1.5×10⁸ CFU/mL로 접종하고 6mm 웰에 각 시험 용액(추출물, 도핑 NP, 화학 합성 CuO) 100µL를 채웠습니다. 37℃에서 24시간 배양 후 버니어 캘리퍼로 억제 존(mm)을 측정했습니다. 데이터는 일원배치 분산분석(ANOVA)으로 분석했습니다(p<0.05).
UV-vis 스펙트럼에서 CuO NP 형성 중 와인색에서 석탄 검정색으로 색 변화가 관찰되었습니다. 추출물은 ZO 275nm, AS 280nm에서 최대 흡수를 보였습니다. 도핑된 CuO NP는 250nm에서 λmax를 보였으며, 6mL:1 추출 비율에서 최적 흡수를 나타냈습니다(그림 2a,b).
XRD 패턴은 단사정계 CuO 상(JCPDS 00-002-1040)을 확인했습니다. 결정 크기는 ZO 도핑 24.7nm, AS 도핑 47.6nm, 순수 27.4nm였습니다(그림 3a,b). FTIR 스펙트럼은 특성 O-H, C=O, Cu-O 진동을 보여 식물 화학적 캡핑을 확인했습니다(그림 4a,b).
SEM 이미지는 1µm 미만의 응집체를 가진 구형 나노입자를 보여줍니다; EDS는 Cu와 O의 고순도와 추출물 유래 미량 Zn과 S 신호를 확인했습니다(그림 5,6).
디스크 확산 분석에서 ZO 도핑 CuO NP가 6mL:1 비율에서 최대 억제 존(2.30mm)과 54.1%의 살균 효능을 보였습니다(그림 9a-c). AS 도핑 NP는 최고 추출 농도에서 최대 1.00mm 존과 23.5% 효능으로 완만한 활성을 보였습니다(그림 9b-d). 양성 대조약 시프로플록사신은 4.25mm 존을, 음성 대조 DIW는 억제 없음을 보였습니다.
항균 메커니즘은 ROS 생성과 Cu²⁺ 이온 방출에 기인하며, 이로 인해 막 파괴, 단백질 변성, DNA 손상이 발생합니다(그림 10). 더 작은 NP가 더 높은 ROS 수준을 생성해 살균 효율을 높입니다.
생강과 마늘 추출물로 도핑된 녹색 합성 CuO NP가 소 유방염 유래 병원성 대장균에 대해 유의미한 항균 활성을 나타냅니다. 특히 6mL:1 비율의 생강 도핑 NP가 최고 효능을 보였으며, 이는 플라보노이드와 CuO 간의 시너지 상호작용 때문으로 보입니다. 구조 분석은 단사정계 상, 구형 형태, 나노미터 크기(ZO 도핑 24.7nm, AS 도핑 47.6nm)를 확인했습니다. 이러한 발견은 식물 기반 CuO NP가 기존 항생제의 경제적이고 환경친화적인 대안이 될 수 있음을 지지하며, 증가하는 항생제 내성과 잔류 오염 문제를 해결할 수 있습니다.
모든 데이터는 제한 없이 완전히 이용 가능합니다.
나노물질
요약 본 연구에서는 금-은 이금속 나노입자를 코어@쉘 구조(Au@AgNPs)로 제조하기 위해 순차적 합성법을 사용했습니다. 카테킨과 스틸벤 함량이 높은 Rumex hymenosepalus 뿌리 추출물(Rh)을 나노입자 합성의 환원제로 사용했습니다. 투과전자현미경(TEM) 크기 분포 분석 결과 Au@AgNPs 평균 직경 36 ± 11 nm, 금 나노입자(AuNPs) 24 ± 4 nm, 은 나노입자(AgNPs) 13 ± 3 nm였습니다. 나노입자 기하학적 형상은 주로 준구형이었습니다. AuNPs 위 은 쉘 두께는 약 6 nm이며 표면은
초록 나노기술은 모든 과학 분야에 중요한 응용을 가진 가장 유망한 연구 분야가 되었습니다. 최근 몇 년간 주석 산화물은 나노미터 범위에서 이 물질의 합성으로 향상된 매혹적인 특성들로 인해 엄청난 주목을 받아왔습니다. 오늘날 주석 산화물 나노입자를 생산하기 위해 수많은 물리적, 화학적 방법이 사용되고 있습니다. 그러나 이러한 방법들은 비용이 많이 들고, 높은 에너지를 필요로 하며, 합성 과정에서 다양한 독성 화학물질을 사용합니다. 인간 건강과 환경 영향에 대한 우려가 증가함에 따라 비용 효율적이고 환경 친화적인 생산 공정의 개발이 이
