Ученые разработали нанозимы пригодные для использования в сельском хозяйстве

Нанозимы – это синтетические материалы, имитирующие свойства природных ферментов для применения в биомедицине и химической инженерии. Обычно они считаются слишком токсичными и дорогими для использования в сельском хозяйстве и пищевой промышленности. Но исследователи из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработали нанозим, который является органическим, нетоксичным, экологически чистым и экономически эффективным.

В недавно опубликованной статье они описывают его особенности и способность обнаруживать присутствие глифосата, распространенного сельскохозяйственного гербицида. Их цель — в конечном итоге создать удобный тестовый набор для потребителей и сельскохозяйственных производителей.

«Слово нанозим происходит от слов «наноматериал» и «фермент». Нанозимы были впервые разработаны около 15 лет назад, когда исследователи обнаружили, что наночастицы оксида железа могут проявлять каталитическую активность, аналогичную природным ферментам (пероксидазе)», — объяснил Дон Хун Ли, аспирант кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии (ABE), Колледжа сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук (ACES) и Инженерного колледжа Грейнджера при Университете И.

Эти нанозимы имитируют активность пероксидазы — фермента, который катализирует окисление субстрата с использованием перекиси водорода в качестве окислителя . Они обеспечивают более высокую стабильность и более низкую стоимость, чем природная пероксидаза, и широко используются в биомедицинских исследованиях, включая биосенсоры для обнаружения молекул-мишеней при диагностике заболеваний.

Традиционные нанозимы создаются из неорганических материалов на основе металлов, что делает их слишком токсичными и дорогими для непосредственного применения в продуктах питания и сельском хозяйстве.

«Наша исследовательская группа является пионером в разработке нанозимов на основе полностью органических соединений (нанозимы OC), которые проявляют активность, подобную пероксидазе. Нанозим OC повторяет каталитическую активность природного фермента, но преимущественно основан на органических соединениях, благоприятных для сельского хозяйства, таких как мочевина, действующая как хелатирующий агент, и поливиниловый спирт в качестве стабилизатора частиц», — говорит Ли.

Исследователи также внедрили колориметрическую сенсорную систему, интегрированную с нанозимом OC, для обнаружения целевых молекул. Колориметрические анализы, метод оптического зондирования, используют интенсивность цвета для определения предполагаемой концентрации присутствия определенных молекул в веществе, так что более темный или более светлый цвет указывает на меньшее или большее количество целевых молекул. Нанозим органического соединения по своему кинетическому профилю и характеристикам обнаружения молекул не уступает нанозимам, обычно используемым в приложениях биосенсорства.

«Традиционные нанозимы сопряжены с множеством проблем: токсичностью, длительной деградацией и сложным производственным процессом. Напротив, наш нанозим производится быстрее, он экономически эффективен, нетоксичен и экологически безопасен», — сказал Мохаммед Камруззаман, доцент ABE и соавтор исследования.

Ли и Камруззаман применили колориметрическую сенсорную платформу на основе нанозимов OC для обнаружения присутствия глифосата, широко используемого гербицида в сельскохозяйственной промышленности. Они провели колориметрические анализы в растворах, содержащих различные концентрации глифосата, и обнаружили, что органический нанозим способен успешно обнаруживать глифосат с достаточной точностью.

«Существует растущий спрос на тестирование присутствия пестицидов или гербицидов в сельскохозяйственной продукции для защиты здоровья людей и сельскохозяйственных культур. Мы хотим разработать платформу для тестирования на основе нанозимов OC для фермеров и потребителей, которую они смогут применять в поле или дома», — заявил Камруззаман. «Люди получали тестовый набор с веществом, которое нужно было смешать с образцом, затем фотографировали и использовали приложение на своем телефоне, чтобы определить интенсивность цвета и определить, присутствует ли какой-либо глифосат. Конечная цель — сделать тест портативным и применимым где угодно».

Исследователи также работают над разработкой дополнительных нанозимов, полагая, что эти экологически чистые материалы имеют большой потенциал для широкого спектра применений.

Статья «Нанозимы на основе органических соединений для обнаружения сельскохозяйственных гербицидов» опубликована в журнале Nanoscale.

Источник: Университет Иллинойса в Урбане-Шампейне