Biologische nanozymen van de volgende generatie bieden een veilige, kosteneffectieve oplossing voor landbouw- en voedselindustrie

Nanozymen zijn synthetische materialen die enzymachtige katalytische eigenschappen hebben, en ze worden in grote lijnen gebruikt voor biomedische doeleinden, zoals ziektediagnostiek. Anorganische nanozymen zijn echter over het algemeen giftig, duur en ingewikkeld om te produceren, waardoor ze ongeschikt zijn voor de landbouw- en voedselindustrie.

Een Urbana-Champaign-onderzoeksteam van de Universiteit van Illinois heeft nanozymen op basis van biologische materialen ontwikkeld die niet-giftig, milieuvriendelijk en kosteneffectief zijn. In twee nieuwe studies introduceren ze biologische nanozymen van de volgende generatie en verkennen ze een point-of-gebruiksplatform voor molecuuldetectie in landbouwproducten.

“De eerste generatie op organisch-compound gebaseerde (OC) nanozymen had enkele kleine nadelen, dus onze onderzoeksgroep werkte om verbeteringen aan te brengen. De vorige OC-nanozymen vereisten het gebruik van deeltjesstabiliserende polymeren met herhaalbare functionele groepen, die de stabiliteit van het nanozyme-nanoschaal-framework niet bereikten, maar een voldoende kleine deeltjes van de auteur Dong Hoon Lee, die zijn ph. van het Department of Agricultural and Biological Engineering (ABE), onderdeel van het College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences en het Grainger College of Engineering aan de U. van I.

In de nieuwe iteratie gebruikten ze een kernaminozuur (lalanine) en polyethyleenglycol als samenstellende materialen en een nieuwe deeltjessynthesetechniek waarmee ze de deeltjesgrootte konden brengen tot minder dan 100 nanometer. Dit nanozyme lijkt op het fysieke kader en bootst de katalytische activiteit van doelzymen na.

In de Eerste studie gepubliceerd in Voedselchemiede onderzoekers toonden aan dat deze organische (OA) nanozymen in combinatie met een colorimetrisch detectieplatform de aanwezigheid van histamine in voedselproducten met succes kunnen detecteren.

“We hebben deze analytische methode gebruikt op spinazie en aubergine, die tot de topgroenten behoren met een hoge concentratie histamine, en we hebben een betaalbaar analytisch prestatieprofiel verkregen. We konden aantonen dat ons systeem niet alleen in het laboratorium werkt, het heeft het potentieel om te worden gebruikt voor real-world toepassingen als een kosteneffectief molecuulgevoel voor voedsel en landbouw,” LEE zei.

In Nog een studie gepubliceerd in de Chemical Engineering Journalverfijnden ze verder het nieuwe organische (OM) nanozymproductieproces en ontwikkelden een geïntegreerd, colorimetrisch point-of-gebruiksplatform dat snelle detectie van landbouw- en biologische moleculen mogelijk maakt zonder een laboratoriumomgeving.

“Conventionele detectiemethoden zijn gebaseerd op laboratoriumanalyse, maar het zou nuttig zijn om een ​​draagbaar molecuulgevoelsysteem te hebben voor de agrarische en voedselomgeving, vergelijkbaar met point-of-care-systemen zoals covid-tests in de thuis,” zei Lee.

De onderzoekers hebben het systeem voor het eerst toegepast op het detecteren van de aanwezigheid van glyfosaat, een gemeenschappelijk agrarisch herbicide. Vervolgens gebruikten ze de enzym-cascade-reactiemethode om glucose te detecteren, wat een gemeenschappelijk biologisch molecuul is. In beide gevallen vertoonde hun systeem een ​​behoorlijke analytische gevoeligheid en konden ze binnen enkele minuten nauwkeurige resultaten behalen.

“Om deze molecule-detectietaak thuis te voltooien, hebt u een smartphone-beeldverwerking-app nodig die is geïntegreerd met een om-nanozym gebaseerd colorimetrisch detectieplatform. Gebruikers kunnen voedselmonsters toevoegen aan een vloeibare oplossing en vervolgens testen met een kleine papieren microfluïdische strip voor de detectieprocedure,” zei Mohammed Kamruzzaman, assistent-professor in ABE en CO-Author in de studie.

“Als de strip van kleur verandert in groen, weet u dat katalytische activiteit optreedt en op basis van de kleurintensiteit kan het monster het doelmolecuul bevatten (in dit geval, glyfosaat of glucose). Vervolgens kunnen gebruikers een foto maken met hun telefoon, en de app gebruikt een algoritme om de kleurafbeelding te converteren naar een geschatte concentratie van doelmolecen.”

“Ons onderzoek toont aan dat nanozymen op basis van organisch materiaal sterke enzymachtige katalytische prestaties vertonen, terwijl ze een biologisch afbreekbaar, duurzaam alternatief bieden voor conventionele anorganische nanozymen, waardoor ze geschikt zijn voor gebruik in de landbouw, voedselveiligheid en verdere biologische velden,” concludeerde Lee.