Wetenschappers ontwikkelen nanozym-mimetica die afvalwater onder zonlicht afbreekt

Wetenschappers van het Materials Research Center (MRC), Indian Institute of Science (IISc), hebben een nieuw type enzymmimetica ontwikkeld dat giftige chemicaliën in industrieel afvalwater effectief kan afbreken in de aanwezigheid van zonlicht.

Enzymen zijn eiwitten die de meeste biologische reacties in levende systemen katalyseren. Het praktische gebruik van natuurlijke enzymen wordt echter sterk belemmerd door bepaalde inherente beperkingen. Deze beperkingen omvatten de gevoeligheid voor denaturatie (afbraak/schade), complexe productieprocedures, hoge kosten en moeilijkheden bij recycling, zegt Subinoy Rana, universitair docent bij MRC en corresponderend auteur van het artikel gepubliceerd in Nanoschaal.

De massaproductie van deze enzymen is een duur en tijdrovend proces. Laccase, een natuurlijk enzym dat wordt gebruikt voor het afbreken van fenolen in de industrie, wordt bijvoorbeeld gewonnen uit een schimmel die witrot wordt genoemd, maar de hoeveelheid geproduceerd enzym hangt af van hoeveel van de schimmel op een bepaald moment beschikbaar is. “Het is een lang proces en het is moeilijk om ze in hoeveelheden van meer dan milligram te maken”, zegt Rana. Een ander probleem is de opslag: de meeste natuurlijke enzymen zijn temperatuurgevoelig en vereisen opslag bij lagere temperaturen, vaak wel -20°C.

In het laboratorium vervaardigde enzymmimetica of ‘nanozymen’ van nanogrootte kunnen dergelijke natuurlijke enzymen nabootsen en deze praktische uitdagingen overwinnen.

In de huidige studie synthetiseerde het IISc-team een ​​platinahoudend nanozym genaamd NanoPtA, dat kan worden omgezet in poedervorm voor industrieel gebruik. Het bootst de functie na van oxidasen: natuurlijke enzymen die waterstof uit substraten verwijderen in aanwezigheid van zuurstof om water te geven. Dit nanozym is niet alleen zeer specifiek in het afbreken van bepaalde substraten, maar is ook robuust omdat het bestand is tegen verschillende pH- en temperatuurveranderingen.

Wanneer het NanoPtA in contact komt met afvalwater, vormen de benzeenringen en lange alkylketens die in het molecuul aanwezig zijn meerdere niet-covalente interacties. Individuele NanoPtA-moleculen verbinden zich met elkaar en vormen tape-achtige structuren die licht beginnen uit te zenden, wat de oorsprong is van het oxiderende vermogen ervan. Het nanozym kan vervolgens de verontreinigende stoffen in het afvalwater afbreken door ze in de aanwezigheid van zonlicht te oxideren, waardoor de toxiciteit van het afvalwater wordt verminderd.

Het team testte het effect van het nanozym op veel voorkomende afvalwaterstromen die water vervuilen, zoals fenolen en kleurstoffen. Ze ontdekten dat het zelfs kleine (micromolaire) hoeveelheden fenolen en kleurstoffen binnen tien minuten kon afbreken als het in zonlicht werd geplaatst. De onderzoekers ontdekten ook dat het NanoPtA-complex behoorlijk stabiel was en tot 75 dagen aanhield bij kamertemperatuur. “Eiwitten worden over het algemeen bewaard bij -20 °C of 4 °C, maar in dit geval kunnen ze ook bij kamertemperatuur worden bewaard”, zegt Rana. In feite was de NanoPtA meer dan zes maanden stabiel bij kamertemperatuur, ontdekten de onderzoekers.

Het team is van mening dat het nanozym niet alleen nuttig is voor het afbreken van giftige verontreinigende stoffen, maar ook toepassingen kan hebben in de gezondheidszorg. Ze testten het vermogen ervan om neurotransmitters zoals dopamine en adrenaline te oxideren. Wanneer ze geoxideerd zijn, vertonen deze moleculen een kleurverandering in de oplossing, die vervolgens kan worden gebruikt om hun concentratie te meten.

“Dit is belangrijk omdat deze neurotransmitters in verband worden gebracht met de ziekte van Parkinson, de ziekte van Alzheimer en hartstilstand”, zegt Rohit Kapila, eerste auteur en Ph.D. Student aan MRC, IISc. Het meten van deze neurotransmitters met behulp van dergelijke nanozymen kan mogelijk een nuttig diagnostisch hulpmiddel zijn voor neurologische en neurodegeneratieve ziekten, voegt hij eraan toe.

In de toekomst zijn de onderzoekers van plan het nanozym te patenteren, omdat ze denken dat het gemakkelijk in grote hoeveelheden op industriële schaal kan worden vervaardigd. Rana’s groep onderzoekt ook goedkopere metaalalternatieven voor platina in het nanozymcomplex.