Biological impact of surface-decorated graphene-based nanomaterials: Focus on antiviral effect and transcriptome modulation

Soumajit Mukherjee, M.Sc.

Doctoral thesis

Biologický dopad povrchově dekorovaných nanomateriálů na bázi grafenu: Zaměření na antivirový účinek a modulaci transkriptomu

Abstract:

Grafen, významný dvourozměrný uhlíkový materiál, má výhodné fyzikálně-chemické vlastnosti a má potenciál jako alternativní materiály pro pokročilé systémy podávání léků a zobrazování in vivo atd. Díky svým antimikrobiálním vlastnostem představují grafenoxid (GO) a jeho deriváty širokou škálu materiálů, které by mohly potenciálně omezit šíření patogenních infekcí. Ačkoli byly studovány antivirové účinky grafenových materiálů, informace o jejich inhibičních mechanismech zůstávají z velké části neprozkoumány. V této studii byly hodnoceny antivirové vlastnosti nanokompozitů na bázi stříbrných nanočástic modifikovaného GO pomocí HIV-1 lentivirů jako modelu obaleného viru. Pomocí různých biochemických a obrazových metod bylo prokázáno, že nanokompozity efektivně inhibují ranou fázi infekce narušením vstupu viru do hostitelské buňky. Buněčná toxicita grafenu a jeho derivátů je dlouhodobým předmětem debaty vzhledem k nekonzistentním informacím a znalostním mezerám ve vzájemném působení s buněčnými strukturami. Porozumění mechanismu toxicity může přispět k modifikaci strategie syntézy nebo k modifikaci povrchu s cílem minimalizovat buněčnou toxicitu. Analýza transkriptomu pomocí sekvenování nové generace odhaluje potenciální změny genomové exprese a účinky na signální dráhy v buňkách vystavených nanomateriálům.

Abstract:

Graphene, a prominent two-dimensional carbon material, possesses advantageous physicochemical properties hold potential as alternative materials for advanced drug delivery systems and in vivo imaging etc. Notably, graphene and its derivatives, such as graphene oxide (GO) exhibit antimicrobial properties, which have been shown to restrict the spread of pathogenic infections. However, the mechanisms of inhibition against viruses remain largely unexplored. In this study the antiviral properties of silver nanoparticles (Ag NPs)-modified GO nanocomposites was evaluated using HIV-1 lentiviruses as a model and the underlying mechanism of inhibition at molecular level. Through biochemical and imaging analyses, the study demonstrates the efficient inhibition of viral entry into host cells during the early phase of infection. Furthermore, the thesis addresses the long-standing debate regarding the cellular toxicity of graphene and its derivatives by investigating their interactions with cellular structures. Transcriptome analysis using next-generation sequencing reveals potential genomic expression alterations and effects on signaling pathways in nanomaterial-exposed cells.

Keywords

HIV, Grafen, Antivirotický účinek

Keywords

Graphene, Antiviral effect, HIV

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 9. 2023

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Lukáš Richtera, Ph.D.
• Reader: Petr Sláma, Ph.D., doc. Ing., Miroslav Pohanka, externi, Daniel Růžek, externi

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Doctoral programme:
Biological Chemistry