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Determining Molecular-Level Interactions of Carboxyl-Functionalized Nanodiamonds with Bacterial Membrane Models as the Basis for Antimicrobial Activity

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Autor(es):
Sousa, Giovanna Eller Silva ; Martins, Bruna Alves ; de Almeida Junior, Alexandre Mendes ; Queiroz, Rafaela Campos ; Tada, Dayane Batista ; Camacho, Sabrina Alessio ; Oliveira Jr., Osvaldo N. ; Aoki, Pedro Henrique Benites
Número total de Autores: 8
Tipo de documento: Artigo Científico
Fonte: Langmuir; v. 41, n. 9, p. 11-pg., 2025-03-02.
Resumo

Carbon-based nanostructures, such as carboxylated nanodiamonds (NDCOOHs), are promising to combat resistant bacterial strains by targeting their protective membranes. Understanding their interactions with bacterial membranes is therefore important for elucidating the mechanisms underlying NDCOOHs antimicrobial activity. In this study, we investigated the incorporation of NDCOOHs into lipid Langmuir monolayers mimicking cytoplasmic membranes of Escherichia coli and Staphylococcus aureus, model systems for Gram-negative and Gram-positive bacteria, respectively. Using polarization-modulated infrared reflection-absorption spectroscopy (PM-IRRAS), we observed significant interactions between NDCOOHs and the polar head groups of the E. coli lipid monolayer, driven by electrostatic attraction to ammonium groups and repulsion from phosphate and carbonyl ester groups, limiting deeper penetration into the lipid chains. In contrast, S. aureus monolayers exhibited more pronounced changes in their hydrocarbon chains, indicating deeper NDCOOHs penetration. NDCOOHs incorporation increased the surface area of the E. coli monolayer by approximately 4% and reduced that of S. aureus by about 8%, changes likely attributed to lipid oxidation induced by superoxide and/or hydroxyl radicals generated by NDCOOHs. These findings highlight the distinct interactions of NDCOOHs with Gram-positive and Gram-negative lipid membranes, offering valuable insights for their development as targeted antimicrobial agents. (AU)

Processo FAPESP: 23/17867-9 - Abordagem multifuncional de nanoestruturas de ouro recobertas com sílica: combinando o diagnóstico de células cancerosas circulantes com a fototerapia tumoral
Beneficiário:Sabrina Aléssio Camacho
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Jovens Pesquisadores
Processo FAPESP: 21/04838-5 - Desenvolvimento de nanopartículas fotossensibilizadoras de nanodiamantes e porfirinas
Beneficiário:Rafaela Campos Queiroz
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Doutorado Direto
Processo FAPESP: 23/17301-5 - Interações Moleculares do flavonoide Baicaleína em Modelos de Membrana Celular Derivados de Células Cancerosas A375e HEp-2
Beneficiário:Bruna Alves Martins
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
Processo FAPESP: 18/22214-6 - Rumo à convergência de tecnologias: de sensores e biossensores à visualização de informação e aprendizado de máquina para análise de dados em diagnóstico clínico
Beneficiário:Osvaldo Novais de Oliveira Junior
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Temático
Processo FAPESP: 24/00313-3 - Avaliação da interação entre nanodiamantes funcionalizados e modelos miméticos de membrana celular de bactérias gram-positivas e gram-negativas
Beneficiário:Giovanna Eller Silva Sousa
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
Processo FAPESP: 22/02189-2 - Nanoestruturas plasmônicas para sinergia das terapias fotodinâmica (TFD) e fototérmica (TFT) em células tumorais
Beneficiário:Pedro Henrique Benites Aoki
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Projeto Inicial
Processo FAPESP: 22/00662-2 - Nanopartículas poliméricas para direcionamento de fármacos aos túbulos proximais renais
Beneficiário:Dayane Batista Tada
Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Regular
Processo FAPESP: 24/15686-0 - Abordagem multifuncional de nanoestruturas de ouro recobertas com sílica: combinando o diagnóstico de células cancerosas circulantes com a fototerapia tumoral
Beneficiário:Sabrina Aléssio Camacho
Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Jovens Pesquisadores