Forskere udvikler organiske nanozymer, der er egnede til landbrugsbrug

Nanozymer er syntetiske materialer, der efterligner naturlige enzymers egenskaber til anvendelser inden for biomedicin og kemiteknik. Historisk set anses de generelt for at være for giftige og dyre til brug i landbrug og fødevarevidenskab. Nu har forskere fra University of Illinois Urbana-Champaign udviklet et nanozym, der er organisk, ikke-giftigt, miljøvenligt og omkostningseffektivt.

I et nyligt offentliggjort papir beskriver de dets egenskaber og dets evne til at påvise tilstedeværelsen af ​​glyphosat, et almindeligt landbrugsherbicid. Deres mål er på sigt at skabe et brugervenligt testkit til forbrugere og landbrugsproducenter.

"Ordet nanozyme er afledt af nanomateriale og enzym. Nanozymer blev først udviklet for omkring 15 år siden, da forskere fandt ud af, at jernoxidnanopartikler kan udføre katalytisk aktivitet svarende til naturlige enzymer (peroxidase)," forklarede Dong Hoon Lee, en doktorand i Department of Agricultural and Biological Engineering (ABE), en del af College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) og The Grainger College of Engineering ved U. of I.

Disse nanozymer efterligner aktiviteten af ​​peroxidase, et enzym, der katalyserer oxidationen af ​​et substrat ved at bruge hydrogenperoxid som et oxidationsmiddel. De giver højere stabilitet og lavere omkostninger end naturlig peroxidase, og de bruges i vid udstrækning i biomedicinsk forskning, herunder biosensorer til påvisning af målmolekyler i sygdomsdiagnostik.

"Traditionelle nanozymer er skabt af uorganiske, metalbaserede materialer, hvilket gør dem for giftige og dyre til at blive direkte anvendt på fødevarer og landbrug," sagde Lee.

"Vores forskningsgruppe er banebrydende i udviklingen af ​​fuldt organiske forbindelsesbaserede nanozymer (OC-nanozymer), som udviser peroxidase-lignende aktiviteter. OC-nanozymet følger det naturlige enzyms katalytiske aktivitet, men er overvejende baseret på landbrugsvenlige organiske forbindelser, som f.eks. urinstof, der virker som et chelateringslignende middel og polyvinylalkohol som en partikelstabilisator."

Forskerne implementerede også et optisk sensorsystem integreret med OC-nanozymet til målmolekyledetektion. Kolorimetriske assays, en type optiske sensingmetoder, bruger farveintensitet til at give en estimeret koncentration af tilstedeværelsen af ​​specifikke molekyler i et stof, sådan at mørkere eller lysere farve indikerer lavere eller højere mængder af målmolekyler. Det organiske sammensatte nanozym præsterede på niveau med nanozymer, der typisk anvendes i biosensing-applikationer inden for deres kinetiske profil med molekyledetektionsydelse.

"Traditionelle nanozymer kommer med et væld af problemer:toksicitet, langvarig nedbrydning og en kompleks produktionsproces. I modsætning hertil er vores nanozym hurtigere at producere, omkostningseffektivt, ikke-giftigt og miljøvenligt," siger Mohammed Kamruzzaman, adjunkt. i ABE og medforfatter på studiet.

Lee og Kamruzzaman anvendte den OC nanozym-baserede, kolorimetriske sensing platform til at detektere tilstedeværelsen af ​​glyphosat, et meget brugt herbicid i landbrugsindustrien. De udførte kolorimetriske assays i opløsninger, der indeholdt varierende koncentrationer af glyphosat, og fandt, at det organiske nanozym var i stand til at påvise glyphosat med tilstrækkelig nøjagtighed.

"Der er en stigende efterspørgsel efter at teste tilstedeværelsen af ​​pesticider eller herbicider i landbrugsprodukter for at beskytte menneskers og afgrøders sundhed. Vi ønsker at udvikle en OC nanozyme-baseret, point-of-use testplatform til landmænd eller forbrugere, der kan ansøge i marken eller derhjemme," sagde Kamruzzaman.

"Folk ville få et testkit med et stof til at blande med deres prøve, derefter tage et billede og bruge en app på deres telefon til at identificere farveintensiteten og fortolke, om der er noget glyphosat til stede. Det ultimative mål er at gøre testen bærbar og gælder overalt."

Forskerne arbejder også på at udvikle yderligere nanozymer og forestiller sig, at disse miljøvenlige materialer rummer et stort potentiale til en bred vifte af anvendelser.

Forskningen er publiceret i tidsskriftet Nanoscale .

Flere oplysninger: Dong Hoon Lee et al., Organiske forbindelsesbaserede nanozymer til påvisning af landbrugsherbicider, Nanoskala (2023). DOI:10.1039/D3NR02025H

Journaloplysninger: Nanoskala

Leveret af University of Illinois at Urbana-Champaign