Phosphatase Active Nanozymes and Application in Antimicrobial Therapy: Developing New Antimicrobial Nanomaterial Agents for Minimizing Drug Resistance

Abstract

Bacterial infectious diseases pose a mounting global threat, claiming at least 1.2 million lives annually due to antimicrobial resistance, with projections estimating up to 10 million deaths per year by 2050 if unaddressed. In response, nanomaterials exhibiting enzyme-like activities, known as “nanozymes,” have emerged as promising alternatives to conventional antibiotics to combat this crisis, by leveraging multi-target mechanisms such as reactive oxygen species generation, membrane disruption, and biofilm inhibition that hinder resistance development. In this research study, for the first time, novel nonmetal, sulphur, nitrogen and carbon (SNC)-based nanozymes with phosphatase-mimicking activity are developed from readily available molecular precursors via a hydrothermal reaction. These nanozymes exhibit strong substrate affinity compared to natural alkaline phosphatase, maintain robust phosphatase activity under physiologically relevant conditions across a broad pH and temperature range, and demonstrate long-term phosphatase stability (>240 days). They also show potent broad-spectrum antimicrobial efficacy and extend tomato shelf-life to over 14 days. This observed effectiveness stems from hydrolytic dephosphorylation of both model chromogenic substrates and phospholipids on bacterial cell membranes, as well as the phosphate crosslink in cell walls, mimicking cysteine-based protein tyrosine phosphatase (PTP) mechanisms. Further surface functionalization or ligand adsorption modulated but preserved catalytic activity, yielding slightly reduced phosphatase activity and delayed bactericidal onset. However, these modifications enhance wound-related biofilm eradication by combining accessible catalytic sites with electrostatic affinity to bacterial cells and reduce cytotoxicity toward mammalian cells. Collectively, this SNC-based nanozyme platform offers a promising alternative to conventional antibiotics for combating drug-resistant pathogens, with potential application in food safety, wound healing, and crop growth.

Бактериялық жұқпалы аурулар өсіп келе жатқан жаһандық қауіп төндіреді, микробқа қарсы тұрақтылыққа байланысты жыл сайын кем дегенде 1,2 миллион адамның өмірін қиады және 2050 жылға қарай емделмеген жағдайда жылына 10 миллионға дейін адам қайтыс болады деп болжануда. Бұған жауап ретінде "нанозимдер" деп аталатын ферментке ұқсас әрекеттерді көрсететін наноматериалдар осы дағдарыспен күресу үшін кәдімгі антибиотиктерге перспективалы балама ретінде пайда болды, мысалы, реактивті оттегі түрлерінің генерациясы, мембраналардың бұзылуы және төзімділіктің дамуына кедергі келтіретін биофильмдердің тежелуі сияқты көп мақсатты механизмдерді қолдана отырып. Бұл зерттеу алғаш рет гидротермиялық реакция арқылы оңай қол жетімді молекулалық прекурсорлардан фосфатазаны имитациялайтын белсенділігі бар металл емес, күкірт, азот және көміртегі (SNC) негізіндегі жаңа нанозимдерді жасап шығарды. Бұл нанозимдер табиғи сілтілі фосфатазамен салыстырғанда субстраттың күшті жақындығын көрсетеді, рн мен температураның кең диапазонында физиологиялық маңызды жағдайларда фосфатазаның тұрақты белсенділігін сақтайды және фосфатазаның ұзақ мерзімді тұрақтылығын көрсетеді (>240 күн). Олар сондай-ақ күшті кең спектрлі микробқа қарсы тиімділікті көрсетеді және қызанақтың жарамдылық мерзімін 14 күннен астам ұзартады. Бұл байқалған тиімділік бактериялық жасуша мембраналарындағы модельдік хромогендік субстраттардың да, фосфолипидтердің де гидролитикалық депосфорлануынан, сондай-ақ цистеин негізіндегі ақуыз тирозинфосфатаза (PTP) механизмдерін имитациялайтын жасуша қабырғаларындағы фосфат айқасуынан туындайды. Әрі қарай беттік функционализация немесе лигандтардың адсорбциясы модуляцияланған, бірақ сақталған каталитикалық белсенділік, фосфатаза белсенділігінің аздап төмендеуіне және бактерицидтік белсенділіктің кешеуілдеуіне әкеледі. Алайда, бұл модификациялар қол жетімді каталитикалық учаскелерді бактерия жасушаларына электростатикалық жақындығымен біріктіру және сүтқоректілердің жасушаларына цитоуыттылығын төмендету арқылы жаралармен байланысты биофильмдердің жойылуын күшейтеді. SNC негізіндегі бұл наноцим платформасы азық-түлік қауіпсіздігіне, жараларды емдеуге және дақылдардың өсуіне әлеуетті қолданылуы бар дәріге төзімді патогендермен күресу үшін кәдімгі антибиотиктерге перспективалы балама ұсынады.