Forskare vid Materials Research Center (MRC), Indian Institute of Science (IISc), har utvecklat en ny typ av enzymhärmare som effektivt kan bryta ner giftiga kemikalier i industriellt avloppsvatten i närvaro av solljus.
Enzymer är proteiner som katalyserar en majoritet av biologiska reaktioner i levande system. Den praktiska användningen av naturliga enzymer hindras dock avsevärt av vissa inneboende begränsningar. Dessa begränsningar inkluderar känslighet för denaturering (nedbrytning/skada), komplexa produktionsprocedurer, höga kostnader och svårigheter med återvinning, säger Subinoy Rana, biträdande professor vid MRC och motsvarande författare till artikeln publicerad i Nanoscale .
Att massproducera dessa enzymer är en dyr och tidskrävande process. Till exempel utvinns lackas, ett naturligt enzym som används för att bryta ner fenoler i industrier, från en svamp som kallas vitröta, men mängden enzym som produceras beror på hur mycket av svampen som finns tillgänglig vid en given tidpunkt. – Det är en lång process och det är svårt att göra dem i mer än milligrammängder, säger Rana. Ett annat problem är lagring – de flesta av de naturliga enzymerna är temperaturkänsliga och kräver lagring vid kallare temperaturer, ofta så låga som –20°C.
Enzymhärmare i nanostorlek eller "nanozymer" som tillverkas i labbet kan härma sådana naturliga enzymer och övervinna dessa praktiska utmaningar.
I den aktuella studien syntetiserade IISc-teamet ett platinainnehållande nanozym som heter NanoPtA, som kan omvandlas till pulverform för industriellt bruk. Det härmar funktionen av oxidaser - naturliga enzymer som tar bort väte från substrat i närvaro av syre för att ge vatten. Detta nanozym är inte bara mycket specifikt när det gäller att bryta ner vissa substrat utan är också robust eftersom det tål en rad pH- och temperaturförändringar.
När NanoPtA kommer i kontakt med avloppsvatten bildar bensenringarna och de långa alkylkedjorna som finns i molekylen flera icke-kovalenta interaktioner. Enskilda NanoPtA-molekyler kopplas samman för att bilda tejpliknande strukturer som börjar sända ut ljus, vilket är ursprunget till dess oxiderande förmåga. Nanozymet kan sedan bryta ned föroreningar som finns i avloppsvatten genom att oxidera dem i närvaro av solljus och därigenom minska avloppsvattnets toxicitet.
Teamet testade nanozymets effekt på vanliga avloppsvatten som förorenar vatten, som fenoler och färgämnen. De fann att det kunde bryta ner även små (mikromolära) mängder fenoler och färgämnen inom tio minuter när de placeras i solljus. Forskarna fann också att NanoPtA-komplexet var ganska stabilt och varade i upp till 75 dagar vid rumstemperatur. "Proteiner förvaras vanligtvis vid –20°C eller 4°C, men i det här fallet kan det förvaras i rumstemperatur", säger Rana. Faktum är att NanoPtA var stabil i mer än sex månader vid rumstemperatur, fann forskarna.
Teamet tror att nanozymet inte bara är användbart för att bryta ner giftiga föroreningar utan också kan ha tillämpningar inom hälso- och sjukvården. De testade dess förmåga att oxidera signalsubstanser som dopamin och adrenalin – när de oxideras visar dessa molekyler en förändring i färg i lösningen, som sedan kan användas för att mäta deras koncentration.
"Detta är viktigt eftersom dessa signalsubstanser är förknippade med Parkinsons, Alzheimers sjukdom och hjärtstillestånd", säger Rohit Kapila, första författare och Ph.D. student vid MRC, IISc. Att mäta dessa signalsubstanser med hjälp av sådana nanozymer kan potentiellt vara ett användbart diagnostiskt verktyg för neurologiska och neurodegenerativa sjukdomar, tillägger han.
Framöver planerar forskarna att patentera nanozymet, eftersom de tror att det lätt kan tillverkas i stora kvantiteter i industriell skala. Ranas grupp tittar också på billigare metallalternativ till platina i nanozymkomplexet.
Mer information: Rohit Kapila et al, Ljusstyrd specifik oxidasliknande aktivitet av ett självmonterat Pt(ii) nanozyme för miljösanering, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02081A
Journalinformation: Nanoskala
Tillhandahålls av Indian Institute of Science
