Nanopartículas de Óxido de Cobre Dopadas con Extractos de Jengibre y Ajo Exhiben Potente Actividad Antibacteriana contra Escherichia coli

Resumen

El auge de bacterias resistentes a antibióticos y la persistencia de residuos de fármacos en las cadenas alimentarias plantean una crisis global de salud pública. Los antibióticos convencionales son cada vez menos efectivos, lo que exige el desarrollo rápido de nuevos antimicrobianos. Las nanopartículas (NP) de óxido de cobre (CuO) ofrecen una plataforma inorgánica versátil con propiedades antimicrobianas probadas. En este estudio, las NP de CuO se sintetizaron mediante una ruta verde y se doparon con concentraciones variables de extractos de jengibre (Zingiber officinale, ZO) y ajo (Allium sativum, AS). Las NP biogénicas resultantes se evaluaron contra una cepa patógena de Escherichia coli aislada de mastitis bovina. Los datos confirman que las NP de CuO dopadas con jengibre, especialmente a una proporción de extracto 6 mL : 1, proporcionan una actividad bactericida superior, destacando una alternativa rentable y ecológica a los antibióticos convencionales.

Introducción

Plantas medicinales como el ajo y el jengibre son ricas en compuestos fenólicos que confieren potentes efectos antioxidantes y antibacterianos. El jengibre contiene gingerol, shogaol y curcumina, mientras que el ajo es fuente de alicina y otras moléculas que contienen azufre con actividad de amplio espectro, incluyendo contra cepas multirresistentes (MDR) (refs [1]–[6]).

La nanotecnología permite el diseño de materiales con propiedades fisicoquímicas únicas. Las nanopartículas de óxido de cobre se han investigado para diversas aplicaciones —agentes antimicrobianos, liberación de fármacos, fotocatalizadores y sensores— gracias a su naturaleza semiconductor y capacidad para generar especies reactivas de oxígeno (ROS) que disrupan membranas bacterianas (refs [10]–[15]).

Escherichia coli es un patógeno clave en medicina veterinaria y humana. En ganado lechero, cepas MDR de E. coli productoras de betalactamasas de espectro extendido (ESBL) o betalactamasas AmpC causan mastitis y pérdidas económicas significativas (refs [18]–[25]). Estos desafíos subrayan la urgencia de nuevos antimicrobianos que evadan los mecanismos de resistencia tradicionales.

Aquí exploramos NP de CuO sintetizadas de forma verde, dopadas con extractos de jengibre y ajo, como potenciales alternativas a los antibióticos para controlar infecciones por E. coli.

Métodos

El objetivo fue evaluar la eficacia bactericida de NP de CuO reducidas fitoquímicamente contra extractos de raíces de jengibre y ajo y un aislamiento de E. coli de mastitis bovina.

Materiales

Se usaron NP de CuO sintetizadas químicamente (Sigma-Aldrich) y raíces secas de jengibre y ajo (mercado de Lahore). Se emplearon medios de cultivo estándar y reactivos analíticos sin modificación.

Extracción Acuosa de Raíces ZO y AS

Las raíces se pulverizaron, mezclaron con agua destilada (proporción 1:10), agitaron 30 min a 70 °C, filtraron (Whatman No. 1), enfriaron y almacenaron a 4 °C (Fig. 1a).

Síntesis Verde de CuO

Una solución 0.1 M de nitrato cúprico se mezcló con 3, 6 u 12 mL de extracto ZO o AS bajo agitación continua. El pH se ajustó a 12 con NaOH 2 M, se calentó a 90 °C por 2 h para formar precipitados, que se centrifugaron (10,000 rpm, 20 min), lavaron y secaron overnight a 90 °C (Fig. 1b).

Caracterización

Absorción UV-vis (200–500 nm) se registró con espectrofotómetro GENESYS-10S. Difracción de rayos X (XRD) en Bruker D2 Phaser (Cu Kα, λ = 1.540 Å). Espectros de infrarrojo por transformada de Fourier (FTIR) vía ATR-FTIR. Microscopía electrónica de barrido (SEM) y espectroscopía de rayos X por dispersión de energía (EDS) en JSM-6610LV. Microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y difracción electrónica de área seleccionada (SAED) en JEOL JEM-2100F. Espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) para confirmar estados elementales.

Aislamiento e Identificación de E. coli

Recolección de Muestras

Muestras de leche se recolectaron de vacas y búfalas con mastitis clínica en varias granjas.

Aislamiento de E. coli

Se usó agar MacConkey para cultivar muestras; las colonias se subcultivaron y sometieron a pruebas de sensibilidad a antibióticos siguiendo guías NCCLS.

Identificación de E. coli

Tinción de Gram, evaluación morfológica y pruebas bioquímicas (rojo de metilo, catalasa) confirmaron aislamientos de E. coli, corroborados por crecimiento en agar EMB.

Evaluación Antibacteriana In Vitro

Ensayos de difusión en disco contra 10 aislamientos patógenos de E. coli. Placas Petri se sembraron con 1.5 × 10⁸ UFC/mL y pozos de 6 mm se llenaron con 100 µL de cada solución de prueba (extractos, NP dopadas, o CuO sintetizado químicamente). Placas incubadas a 37 °C por 24 h, y zonas de inhibición (mm) se midieron con calibre Vernier. Datos analizados por ANOVA unidireccional (p < 0.05).

Resultados y Discusión

Los espectros UV-vis revelaron cambio de color de vino a negro carbón durante la formación de NP de CuO. Los extractos mostraron máximos a 275 nm (ZO) y 280 nm (AS). NP de CuO dopadas exhibieron λmax a 250 nm, con absorción óptima a proporción 6 mL : 1 de extracto (Fig. 2a,b).

Patrones XRD confirmaron fase monoclínica de CuO (JCPDS 00-002-1040). Tamaños de cristalita: 24.7 nm (ZO-dopado), 47.6 nm (AS-dopado), 27.4 nm (prístino) (Fig. 3a,b). Espectros FTIR mostraron vibraciones características O-H, C=O y Cu-O, confirmando recubrimiento fitoquímico (Fig. 4a,b).

Imágenes SEM mostraron nanopartículas esféricas con aglomerados <1 µm; EDS confirmó alta pureza de Cu y O, con señales menores de Zn y S de los extractos (Fig. 5,6).

Ensayos de difusión en disco demostraron que NP de CuO dopadas con ZO a proporción 6 mL : 1 produjeron las mayores zonas de inhibición (hasta 2.30 mm) y eficacia bactericida del 54.1 % (Fig. 9a-c). NP dopadas con AS mostraron actividad modesta, con zona máxima de 1.00 mm y 23.5 % de eficacia a la mayor concentración de extracto (Fig. 9b-d). El control positivo (ciprofloxacino) produjo zona de 4.25 mm, mientras que el control negativo (AGD) no mostró inhibición.

El mecanismo antibacteriano se atribuye a generación de ROS y liberación de iones Cu²⁺, llevando a disrupción de membrana, desnaturalización de proteínas y daño al ADN (Fig. 10). NP más pequeñas producen mayores niveles de ROS, mejorando la eficiencia bactericida.

Conclusiones

NP de CuO sintetizadas verde y dopadas con extractos de jengibre y ajo exhiben actividad antibacteriana significativa contra E. coli patógeno de mastitis bovina. NP dopadas con jengibre, particularmente a proporción 6 mL : 1, entregaron la mayor eficacia, probablemente por interacciones sinérgicas entre flavonoides y CuO. Análisis estructurales confirmaron fase monoclínica, morfología esférica y tamaño nanométrico (24.7 nm para ZO-dopado, 47.6 nm para AS-dopado). Estos hallazgos apoyan el uso de NP de CuO basadas en plantas como alternativas económicas y ambientalmente amigables a antibióticos convencionales, abordando el creciente problema de resistencia a antibióticos y contaminación por residuos.

Disponibilidad de Datos y Materiales

Todos los datos están disponibles sin restricción.

Abreviaturas

EDS:

Espectroscopía de rayos X por dispersión de energía

fcc:

Cúbico centrado en caras

FTIR:

Espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier

G + ve:

Gram positivo

G − ve:

Gram negativo

JCPDS:

Comité conjunto de estándares de difracción de polvos

CuO:

Óxido de cobre

nm:

Nanómetro