doi: 10.1021/acs.langmuir.4c05173.
Epub 2025 Mar 2.
Determining Molecular-Level Interactions of Carboxyl-Functionalized Nanodiamonds with Bacterial Membrane Models as the Basis for Antimicrobial Activity
Affiliations
- PMID: 40023781
- PMCID: PMC11912534
- DOI: 10.1021/acs.langmuir.4c05173
Item in Clipboard
Determining Molecular-Level Interactions of Carboxyl-Functionalized Nanodiamonds with Bacterial Membrane Models as the Basis for Antimicrobial Activity
Langmuir.
.
Abstract
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.
Conflict of interest statement
The authors declare no competing financial interest.
Figures
Schematic illustration
for (A) E. coli (Gram-negative)
and (B) S. aureus (Gram-positive) bacteria
along with their respective membrane structures
(insets). The lipid membrane regions mimicked in this study are indicated,
and the molecular structures of the lipids in the composition of (A) E. coli lipid extract and
(B) S. aureus lipid mixture are shown.
The numbers 1 and 2 refer to the lipid chains of PE and PG, which
can have different sizes and be unsaturated or not.
Surface
pressure (mN/m) versus area (102 cm2/mL lipid
extract) isotherms and surface compression modulus (Cs–1) for (A) E. coli and (B) E.
coli:NDCOOHs (1:1, 1:2, and 1:4, v/v) and for (C) S. aureus and (D) S. aureus:NDCOOHs monolayers
(1:1, 1:2, and 1:4, v/v).
PM-IRRAS spectra for (A) E. coli and E. coli:NDCOOHs (1:1) and (B) S. aureus and S. aureus:NDCOOHs (1:2) monolayers on the PBS subphase
at 30 mN/m. The left panels highlight bands related to polar head
groups, while the right panels refer to those associated with alkyl
chain groups.
Schematic representation
of the binding mechanism of NDCOOHs in
(A) E. coli extract
and (B) S. aureus lipid mixture monolayers.
Green arrows indicate attractive electrostatic interactions, red arrows
show repulsive electrostatic interactions, and blue dashed arrows
illustrate secondary interactions, such as van der Waals and hydrogen
bonding.
Comparative
evolution of relative area (A/A0) versus time (100 min) for (A) E.
coli and E. coli:NDCOOHs (1:1) and for (B) S. aureus and S. aureus:NDCOOHs (1:2) recorded
at constant pressure of 30 mN/m. A0 is
the extrapolated area of the isotherms at 30 mN/m down to zero pressure.
References
-
- Ikuta K. S.; Swetschinski L. R.; Robles Aguilar G.; Sharara F.; Mestrovic T.; Gray A. P.; Davis Weaver N.; Wool E. E.; Han C.; Gershberg Hayoon A.; Aali A.; Abate S. M.; Abbasi-Kangevari M.; Abbasi-Kangevari Z.; Abd-Elsalam S.; Abebe G.; Abedi A.; Abhari A. P.; Abidi H.; Aboagye R. G.; Absalan A.; Abubaker Ali H.; Acuna J. M.; Adane T. D.; Addo I. Y.; Adegboye O. A.; Adnan M.; Adnani Q. E. S.; Afzal M. S.; Afzal S.; Aghdam Z. B.; Ahinkorah B. O.; Ahmad A.; Ahmad A. R.; Ahmad R.; Ahmad S.; Ahmad S.; Ahmadi S.; Ahmed A.; Ahmed H.; Ahmed J. Q.; Ahmed Rashid T.; Ajami M.; Aji B.; Akbarzadeh-Khiavi M.; Akunna C. J.; Al Hamad H.; Alahdab F.; Al-Aly Z.; Aldeyab M. A.; Aleman A. V.; Alhalaiqa F. A. N.; Alhassan R. K.; Ali B. A.; Ali L.; Ali S. S.; Alimohamadi Y.; Alipour V.; Alizadeh A.; Aljunid S. M.; Allel K.; Almustanyir S.; Ameyaw E. K.; Amit A. M. L.; Anandavelane N.; Ancuceanu R.; Andrei C. L.; Andrei T.; Anggraini D.; Ansar A.; Anyasodor A. E.; Arabloo J.; Aravkin A. Y.; Areda D.; Aripov T.; Artamonov A. A.; Arulappan J.; Aruleba R. T.; Asaduzzaman M.; Ashraf T.; Athari S. S.; Atlaw D.; Attia S.; Ausloos M.; Awoke T.; Ayala Quintanilla B. P.; Ayana T. M.; Azadnajafabad S.; Azari Jafari A.; Mahesh P. A.; Padubidri J. R.; Pakshir K.; Palicz T.; Pana A.; Pardhan S.; Paredes J. L.; Parekh U.; Park E.-C.; Park S.; Pathak A.; Paudel R.; Paudel U.; Pawar S.; Pazoki Toroudi H.; Peng M.; Pensato U.; Pepito V. C. F.; Pereira M.; Peres M. F. P.; Perico N.; Petcu I.-R.; Piracha Z. Z.; Podder I.; Pokhrel N.; Poluru R.; Postma M. J.; Pourtaheri N.; Prashant A.; Qattea I.; Rabiee M.; Rabiee N.; Radfar A.; Raeghi S.; Rafiei S.; Raghav P. R.; Rahbarnia L.; Rahimi-Movaghar V.; Rahman M.; Rahman M. A.; Rahmani A. M.; Rahmanian V.; Ram P.; Ranjha M. M. A. N.; Rao S. J.; Rashidi M.-M.; Rasul A.; Ratan Z. A.; Rawaf S.; Rawassizadeh R.; Razeghinia M. S.; Redwan E. M. M.; Regasa M. T.; Remuzzi G.; Reta M. A.; Rezaei N.; Rezapour A.; Riad A.; Ripon R. K.; Rudd K. E.; Saddik B.; Sadeghian S.; Saeed U.; Safaei M.; Safary A.; Safi S. Z.; Sahebazzamani M.; Sahebkar A.; Sahoo H.; Salahi S.; Salahi S.; Salari H.; Salehi S.; Samadi Kafil H.; Samy A. M.; Sanadgol N.; Sankararaman S.; Sanmarchi F.; Sathian B.; Sawhney M.; Saya G. K.; Senthilkumaran S.; Seylani A.; Shah P. A.; Shaikh M. A.; Shaker E.; Shakhmardanov M. Z.; Sharew M. M.; Sharifi-Razavi A.; Sharma P.; Sheikhi R. A.; Sheikhy A.; Shetty P. H.; Shigematsu M.; Shin J. I.; Shirzad-Aski H.; Shivakumar K. M.; Shobeiri P.; Shorofi S. A.; Shrestha S.; Sibhat M. M.; Sidemo N. B.; Sikder M. K.; Silva L. M. L. R.; Singh J. A.; Singh P.; Singh S.; Siraj M. S.; Siwal S. S.; Skryabin V. Y.; Skryabina A. A.; Socea B.; Solomon D. D.; Song Y.; Sreeramareddy C. T.; Suleman M.; Suliankatchi Abdulkader R.; Sultana S.; Szócska M.; Tabatabaeizadeh S.-A.; Tabish M.; Taheri M.; Taki E.; Tan K.-K.; Tandukar S.; Tat N. Y.; Tat V. Y.; Tefera B. N.; Tefera Y. M.; Temesgen G.; Temsah M.-H.; Tharwat S.; Thiyagarajan A.; Tleyjeh I. I.; Troeger C. E.; Umapathi K. K.; Upadhyay E.; Valadan Tahbaz S.; Valdez P. R.; Van Den Eynde J.; Van Doorn H. R.; Vaziri S.; Verras G.-I.; Viswanathan H.; Vo B.; Waris A.; Wassie G. T.; Wickramasinghe N. D.; Yaghoubi S.; Yahya G. A. T. Y.; Yahyazadeh Jabbari S. H.; Yigit A.; Yiğit V.; Yon D. K.; Yonemoto N.; Zahir M.; Zaman B. A.; Zaman S. B.; Zangiabadian M.; Zare I.; Zastrozhin M. S.; Zhang Z.-J.; Zheng P.; Zhong C.; Zoladl M.; Zumla A.; Hay S. I.; Dolecek C.; Sartorius B.; Murray C. J. L.; Naghavi M.; Linda Merin J.; Jakovljevic M.; Jamshidi E.; Javaheri T.; Javanmardi F.; Javidnia J.; Jayapal S. K.; Jayarajah U.; Jebai R.; Jha R. P.; Joo T.; Joseph N.; Joukar F.; Jozwiak J. J.; Kacimi S. E. O.; Kadashetti V.; Kalankesh L. R.; Kalhor R.; Kamal V. K.; Kandel H.; Kapoor N.; Karkhah S.; Kassa B. G.; Kassebaum N. J.; Katoto P. D.; Keykhaei M.; Khajuria H.; Khan A.; Khan I. A.; Khan M.; Khan M. N.; Khan M. A.; Khatatbeh M. M.; Khater M. M.; Khayat Kashani H. R.; Khubchandani J.; Kim H.; Kim M. S.; Kimokoti R. W.; Kissoon N.; Kochhar S.; Kompani F.; Kosen S.; Koul P. A.; Koulmane Laxminarayana S. L.; Krapp Lopez F.; Krishan K.; Krishnamoorthy V.; Kulkarni V.; Kumar N.; Kurmi O. P.; Kuttikkattu A.; Kyu H. H.; Lal D. K.; Lám J.; Landires I.; Lasrado S.; Lee S.; Lenzi J.; Lewycka S.; Li S.; Lim S. S.; Liu W.; Lodha R.; Loftus M. J.; Lohiya A.; Lorenzovici L.; Lotfi M.; Mahmoodpoor A.; Mahmoud M. A.; Mahmoudi R.; Majeed A.; Majidpoor J.; Makki A.; Mamo G. A.; Manla Y.; Martorell M.; Matei C. N.; McManigal B.; Mehrabi Nasab E.; Mehrotra R.; Melese A.; Mendoza-Cano O.; Menezes R. G.; Mentis A.-F. A.; Micha G.; Michalek I. M.; Micheletti Gomide Nogueira De Sá A. C.; Milevska Kostova N.; Mir S. A.; Mirghafourvand M.; Mirmoeeni S.; Mirrakhimov E. M.; Mirza-Aghazadeh-Attari M.; Misganaw A. S.; Misganaw A.; Misra S.; Mohammadi E.; Mohammadi M.; Mohammadian-Hafshejani A.; Mohammed S.; Mohan S.; Mohseni M.; Mokdad A. H.; Momtazmanesh S.; Monasta L.; Moore C. E.; Moradi M.; Moradi Sarabi M.; Morrison S. D.; Motaghinejad M.; Mousavi Isfahani H.; Mousavi Khaneghah A.; Mousavi-Aghdas S. A.; Mubarik S.; Mulita F.; Mulu G. B. B.; Munro S. B.; Muthupandian S.; Nair T. S.; Naqvi A. A.; Narang H.; Natto Z. S.; Naveed M.; Nayak B. P.; Naz S.; Negoi I.; Nejadghaderi S. A.; Neupane Kandel S.; Ngwa C. H.; Niazi R. K.; Nogueira De Sá A. T.; Noroozi N.; Nouraei H.; Nowroozi A.; Nuñez-Samudio V.; Nutor J. J.; Nzoputam C. I.; Nzoputam O. J.; Oancea B.; Obaidur R. M.; Ojha V. A.; Okekunle A. P.; Okonji O. C.; Olagunju A. T.; Olusanya B. O.; Omar Bali A.; Omer E.; Otstavnov N.; Oumer B.; Darshan B. B.; Badar M.; Badiye A. D.; Baghcheghi N.; Bagherieh S.; Baig A. A.; Banerjee I.; Barac A.; Bardhan M.; Barone-Adesi F.; Barqawi H. J.; Barrow A.; Baskaran P.; Basu S.; Batiha A.-M. M.; Bedi N.; Belete M. A.; Belgaumi U. I.; Bender R. G.; Bhandari B.; Bhandari D.; Bhardwaj P.; Bhaskar S.; Bhattacharyya K.; Bhattarai S.; Bitaraf S.; Buonsenso D.; Butt Z. A.; Caetano Dos Santos F. L.; Cai J.; Calina D.; Camargos P.; Cámera L. A.; Cárdenas R.; Cevik M.; Chadwick J.; Charan J.; Chaurasia A.; Ching P. R.; Choudhari S. G.; Chowdhury E. K.; Chowdhury F. R.; Chu D.-T.; Chukwu I. S.; Dadras O.; Dagnaw F. T.; Dai X.; Das S.; Dastiridou A.; Debela S. A.; Demisse F. W.; Demissie S.; Dereje D.; Derese M.; Desai H. D.; Dessalegn F. N.; Dessalegni S. A. A.; Desye B.; Dhaduk K.; Dhimal M.; Dhingra S.; Diao N.; Diaz D.; Djalalinia S.; Dodangeh M.; Dongarwar D.; Dora B. T.; Dorostkar F.; Dsouza H. L.; Dubljanin E.; Dunachie S. J.; Durojaiye O. C.; Edinur H. A.; Ejigu H. B.; Ekholuenetale M.; Ekundayo T. C.; El-Abid H.; Elhadi M.; Elmonem M. A.; Emami A.; Engelbert Bain L.; Enyew D. B.; Erkhembayar R.; Eshrati B.; Etaee F.; Fagbamigbe A. F.; Falahi S.; Fallahzadeh A.; Faraon E. J. A.; Fatehizadeh A.; Fekadu G.; Fernandes J. C.; Ferrari A.; Fetensa G.; Filip I.; Fischer F.; Foroutan M.; Gaal P. A.; Gadanya M. A.; Gaidhane A. M.; Ganesan B.; Gebrehiwot M.; Ghanbari R.; Ghasemi Nour M.; Ghashghaee A.; Gholamrezanezhad A.; Gholizadeh A.; Golechha M.; Goleij P.; Golinelli D.; Goodridge A.; Gunawardane D. A.; Guo Y.; Gupta R. D.; Gupta S.; Gupta V. B.; Gupta V. K.; Guta A.; Habibzadeh P.; Haddadi Avval A.; Halwani R.; Hanif A.; Hannan M. A.; Harapan H.; Hassan S.; Hassankhani H.; Hayat K.; Heibati B.; Heidari G.; Heidari M.; Heidari-Soureshjani R.; Herteliu C.; Heyi D. Z.; Hezam K.; Hoogar P.; Horita N.; Hossain M. M.; Hosseinzadeh M.; Hostiuc M.; Hostiuc S.; Hoveidamanesh S.; Huang J.; Hussain S.; Hussein N. R.; Ibitoye S. E.; Ilesanmi O. S.; Ilic I. M.; Ilic M. D.; Imam M. T.; Immurana M.; Inbaraj L. R.; Iradukunda A.; Ismail N. E.; Iwu C. C. D.; Iwu C. J. Global Mortality Associated with 33 Bacterial Pathogens in 2019: A Systematic Analysis for the Global Burden of Disease Study 2019. Lancet 2022, 400 (10369), 2221–2248. 10.1016/S0140-6736(22)02185-7. - DOI - PMC - PubMed
-
- Folliero V.; Franci G.; Dell’Annunziata F.; Giugliano R.; Foglia F.; Sperlongano R.; De Filippis A.; Finamore E.; Galdiero M. Evaluation of Antibiotic Resistance and Biofilm Production among Clinical Strain Isolated from Medical Devices. Int. J. Microbiol. 2021, 2021, 1–11. 10.1155/2021/9033278. - DOI - PMC - PubMed
MeSH terms
Substances
LinkOut - more resources
Full Text Sources
Medical
Molecular Biology Databases
