Natural antimicrobial additives : From data to molecule

Nearly all waterborne products, such as food, beverages, pharmaceuticals, paints, biological (medical) samples, cosmetics and wood require preservation to prevent decomposition of the product due to microbial growth. Most non-food preservatives such as isothiazolinones, bronopol, and pyrithiones, are derived from oil and are increasingly more strictly regulated due to hazards such as ecotoxicity, sensibilization and development of allergies. The low legally permitted concentrations will not only become too low to realize preservation, they will also induce antimicrobial resistance. A chemical transition towards new, innovative, biobased, and eco-friendly preservatives is therefore required.
Wydo NBD is dedicated to research towards sustainable ingredients for waterborne paints. For this, together with the Hanze University, non-hazardous, eco-friendly and biobased natural preservatives will be identified and further developed towards marketable products. The knowledge obtained in this project will contribute to the development of biological (paint) conservatives knowledge and improvement of current production methods of Wydo, with the potential for wider application in food and medical products.
This project aims to identify natural antimicrobial additives and consists of three consecutive stages. First, an extensive, unbiased bioinformatics guided literature mining will be performed to find relationships between biological antimicrobial compounds and microbes found in paint. The most promising antimicrobials from this mining will be made available by chemical synthesis. Subsequently, the compounds will be assessed for their potential as novel natural preservatives for waterborne paints, by testing for their antimicrobial activity and stability.  

Eindrapportage

Veel op water-gebaseerde producten zoals medicijnen, cosmetica en verven bevatten antimicrobiële stoffen. Door toenemende EU wet- en regelgeving worden 38 van de 49 veel gebruikte biocides nog verder onderzocht. Daarom moeten we de overstap maken naar biobased biociden. In dit onderzoek focussen wij ons op de toepassing van biocides als verf-conserveringsmiddel. Maar welke stoffen/ natuurlijke biocides komen in aanmerking voor deze specifieke toepassing?

Om deze vraag te kunnen beantwoorden is er in dit onderzoek een “biobased biocide discovery pipeline” ontwikkeld.
Deze pipeline bestaat uit 3 stappen. 1. Literatuur text-mining, 2. molecuul synthese en 3. antimicrobiële activiteit bepaling.
Voor de eerste stap is er een text-mining techniek ontwikkeld, die alle 38 miljoen pubmed publicaties analyseert en op basis van woordassociaties. Hierbij wordt rekening gehouden met een aantal specifieke molecuul-eigenschappen, maar ook de werking van de biocide op de micro-organismen die vaak geassocieerd worden met verfbederf. Deze analyse levert een lijst van 603 natuurlijke biocides op. Waaronder: Theobromine, Thymol, Hexyl Gallaat, Octaanzuur en Paraxantine.

De tweede stap is het synthetiseren en optimaliseren van de geïdentificeerde biocides. Om de antimicrobiële werking van deze biocides te verhogen, zijn er vetzuurstaarten, met verschillende lengtes (C8 C10, C12), aan deze moleculen gesynthetiseerd. Vetzuurstaarten verstoren de celmembraan van micro-organismen wat resulteert in hun dood.

De derde stap is de antimicrobiële activiteit van deze nieuw ontwikkelde biobased biocides te bepalen. Hiervoor is een speciaal groei-assay ontwikkeld. Dit om de Minimum Inhibitory Concentration (MIC), als maat voor de biocide effectiviteit, te bepalen zijn de target organismen, onder meerdere groei-condities, blootgesteld aan verschillende biocideconcentraties en hun groei gemonitord.

De eerste resultaten voor Hexyl gallaat, Octaanzuur en Theobromide zijn inmiddels verworven en tonen aan dat de hierboven beschreven pipeline geschikt is voor het identificeren en maken van nieuwe biobased biocides.