Nanozymer är syntetiska material som efterliknar egenskaperna hos naturliga enzymer för tillämpningar inom biomedicin och kemiteknik. Historiskt sett anses de i allmänhet vara för giftiga och dyra för användning inom jordbruk och livsmedelsvetenskap. Nu har forskare från University of Illinois Urbana-Champaign utvecklat ett nanozym som är organiskt, giftfritt, miljövänligt och kostnadseffektivt.
I en nypublicerad artikel beskriver de dess egenskaper och dess förmåga att upptäcka närvaron av glyfosat, en vanlig jordbruksherbicid. Deras mål är att så småningom skapa ett användarvänligt testkit för konsumenter och jordbruksproducenter.
"Ordet nanozym kommer från nanomaterial och enzym. Nanozymer utvecklades först för cirka 15 år sedan, när forskare fann att järnoxidnanopartiklar kan utföra katalytisk aktivitet som liknar naturliga enzymer (peroxidas)," förklarade Dong Hoon Lee, doktorand i Institutionen för jordbruks- och biologisk teknik (ABE), en del av College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) och The Grainger College of Engineering vid U. of I.
Dessa nanozymer efterliknar aktiviteten av peroxidas, ett enzym som katalyserar oxidationen av ett substrat genom att använda väteperoxid som ett oxidationsmedel. De ger högre stabilitet och lägre kostnad än naturligt peroxidas, och de används i stor utsträckning inom biomedicinsk forskning, inklusive biosensorer för detektion av målmolekyler i sjukdomsdiagnostik.
"Traditionella nanozymer skapas av oorganiska, metallbaserade material, vilket gör dem för giftiga och dyra för att appliceras direkt på livsmedel och jordbruk," sa Lee.
"Vår forskargrupp är banbrytande för utvecklingen av helt organiska föreningsbaserade nanozymer (OC nanozymes) som uppvisar peroxidasliknande aktiviteter. OC nanozymet följer det naturliga enzymets katalytiska aktivitet men är till övervägande del baserat på jordbruksvänliga organiska föreningar, som t.ex. urea som fungerar som ett kelatbildande medel och polyvinylalkohol som en partikelstabilisator."
Forskarna implementerade också ett optiskt avkänningssystem integrerat med OC nanozymet för målmolekyldetektion. Kolorimetriska analyser, en typ av optiska avkänningsmetoder, använder färgintensitet för att ge en uppskattad koncentration av närvaron av specifika molekyler i ett ämne, så att mörkare eller ljusare färg indikerar lägre eller högre kvantitet av målmolekyler. Det organiska nanozymet presterade i paritet med nanozymer som vanligtvis används i biosensingapplikationer inom sin kinetiska profil med molekyldetekteringsprestanda.
"Traditionella nanozymer kommer med en mängd problem:toxicitet, långvarig nedbrytning och en komplex produktionsprocess. Däremot är vårt nanozym snabbare att producera, kostnadseffektivt, giftfritt och miljövänligt", säger Mohammed Kamruzzaman, biträdande professor i ABE och medförfattare på studien.
Lee och Kamruzzaman använde den OC nanozymbaserade, kolorimetriska avkänningsplattformen för att upptäcka närvaron av glyfosat, en allmänt använd herbicid inom jordbruksindustrin. De utförde kolorimetriska analyser i lösningar som innehöll varierande koncentrationer av glyfosat, och fann att det organiska nanozymet framgångsrikt kunde detektera glyfosat med tillräcklig noggrannhet.
"Det finns en ökande efterfrågan på att testa förekomsten av bekämpningsmedel eller herbicider i jordbruksprodukter för att skydda människors och grödors hälsa. Vi vill utveckla en OC nanozym-baserad, point-of-use testplattform för bönder eller konsumenter som kan ansöka i fält eller hemma", sa Kamruzzaman.
"Folk skulle skaffa ett testkit med en substans att blanda med sitt prov, sedan ta en bild och använda en app på sin telefon för att identifiera färgintensiteten och tolka om det finns något glyfosat närvarande. Det slutliga målet är att göra testet bärbart och tillämplig var som helst."
Forskarna arbetar också med att utveckla ytterligare nanozymer och föreställer sig att dessa miljövänliga material har stor potential för ett brett spektrum av tillämpningar.
Forskningen är publicerad i tidskriften Nanoscale .
Mer information: Dong Hoon Lee et al, Organiska föreningsbaserade nanozymer för detektion av jordbruksherbicider, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02025H
Journalinformation: Nanoskala
Tillhandahålls av University of Illinois i Urbana-Champaign
