Photochemical outcomes triggered by gold shell-isolated nanorods on bioinspired nanoarchitectonics for bacterial membranes

Abstract

Boosted by the indiscriminate use of antibiotics, multidrug-resistance (MDR) demands new strategies to combat bacterial infections, such as photothermal therapy (PTT) based on plasmonic nanostructures. PTT efficiency relies on photoinduced damage caused to the bacterial machinery, for which nanostructure incorporation into the cell envelope is key. Herein, we shall unveil the binding and photochemical mechanisms of gold shell-isolated nanorods (AuSHINRs) on bioinspired bacterial membranes assembled as Langmuir and Langmuir-Schaefer (LS) monolayers of DOPE, Lysyl-PG, DOPG and CL. AuSHINRs incorporation expanded the isotherms, with stronger effect on the anionic DOPG and CL. Indeed, FTIR of LS films revealed more modifications for DOPG and CL owing to stronger attractive electrostatic interactions between anionic phosphates and the positively charged AuSH INRs, while electrostatic repulsions with the cationic ethanolamine (DOPE) and lysyl (Lysyl-PG) polar groups might have weakened their interactions with AuSHINRs. No statistical difference was observed in the surface area of irradiated DOPE and Lysyl-PG monolayers on AuSHINRs, which is evidence of the restricted nano structures insertion. In contrast, irradiated DOPG monolayer on AuSHINRs decreased 4.0 % in surface area, while irradiated CL monolayer increased 3.7 %. Such results agree with oxidative reactions prompted by ROS gener ated by AuSHINRs photoactivation. The deepest AuSHINRs insertion into DOPG may have favored chain cleavage while hydroperoxidation is the mostly like outcome in CL, where AuSHINRs are surrounding the polar groups. Furthermore, preliminary experiments on Escherichia coli culture demonstrated that the electrostatic interactions with AuSHINRs do not inhibit bacterial growth, but the photoinduced effects are highly toxic, resulting in microbial inactivation.

Impulsionada pelo uso indiscriminado de antibióticos, a multirresistência exige novas estratégias para combater infecções bacterianas, como a terapia fototérmica (TFT) baseada em nanoestruturas plasmônicas. A eficiência da TFT depende do dano fotoinduzido causado à maquinaria bacteriana, para a qual a incorporação da nanoestrutura no envelope celular é fundamental. Aqui, iremos desvendar os mecanismos de ligação e fotoquímicos de nanobastões de ouro recobertos com sílica (AuSHINRs) em membranas bacterianas bioinspiradas em monocamadas de Langmuir e Langmuir-Schaefer (LS) dos fosfolipídios DOPE, Lysyl-PG, DOPG e CL. A incorporação do AuSHINR deslocou todas as isotermas, com efeito mais forte sobre os filmes aniônicos do DOPG e CL. De fato, o FTIR dos filmes LS revelaram maiores modificações para ambos os lipídios, devido as interações eletrostáticas atrativas mais fortes entre os fosfatos aniônicos e os nanobastões carregados positivamente. Por outro lado, repulsões eletrostáticas com os grupos polares da etanolamina catiônica (DOPE) e lisil (Lysil-PG) podem ter enfraquecido as interações com as AuSHINRs. Nenhuma diferença estatística foi observada na área superficial das monocamadas irradiadas de DOPE e Lysyl-PG contendo as AuSHINRs, o que sugere uma inserção restrita das nanoestruturas em tais modelos. Em contraste, a monocamada de DOPG irradiada com AuSHINRs diminuiu cerca de 4,0% na área superficial, enquanto a monocamada da CL irradiada aumentou 3,7%. Tais resultados concordam com as reações oxidativas provocadas pelas espécies reativas geradas pela fotoativação dos AuSHINRs. A inserção mais profunda das AuSHINRs no DOPG pode ter favorecido a clivagem da cadeia alifática, enquanto a hidroperoxidação é o resultado que mais se assemelha nos filmes de CL, onde as AuSHINRs estão circundando os grupos polares. Além disso, experimentos preliminares em cultura de Escherichia coli demonstraram que as interações eletrostáticas com AuSHINRs não inibem o crescimento bacteriano, mas os efeitos fotoinduzidos são altamente tóxicos, resultando na inativação microbiana.