Onderzoekers ontwikkelen organische nanozymen die geschikt zijn voor gebruik in de landbouw

Nanozymen zijn synthetische materialen die de eigenschappen van natuurlijke enzymen nabootsen voor toepassingen in de biogeneeskunde en chemische technologie. Historisch gezien worden ze over het algemeen als te giftig en te duur beschouwd voor gebruik in de landbouw en de voedingswetenschap. Nu hebben onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois een nanozym ontwikkeld dat organisch, niet-giftig, milieuvriendelijk en kosteneffectief is.

In een nieuw gepubliceerd artikelbeschrijven ze de kenmerken ervan en het vermogen ervan om de aanwezigheid van glyfosaat, een veelgebruikt landbouwherbicide, op te sporen. Hun doel is om uiteindelijk een gebruiksvriendelijke testkit te creëren voor consumenten en landbouwproducenten.

“Het woord nanozym is afgeleid van nanomateriaal en enzym. Nanozymen werden ongeveer 15 jaar geleden voor het eerst ontwikkeld, toen onderzoekers ontdekten dat nanodeeltjes van ijzeroxide een katalytische activiteit kunnen uitoefenen die vergelijkbaar is met natuurlijke enzymen (peroxidase)”, legt Dong Hoon Lee uit, een promovendus aan de Universiteit van Californië. Afdeling Landbouw- en Biologische Techniek (ABE), onderdeel van het College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) en The Grainger College of Engineering aan de U. of I.

Deze nanozymen bootsen de activiteit na van peroxidase, een enzym dat de oxidatie van een substraat katalyseert door waterstofperoxide als oxidatiemiddel te gebruiken. Ze bieden een hogere stabiliteit en lagere kosten dan natuurlijke peroxidase, en ze worden veel gebruikt in biomedisch onderzoek, waaronder biosensoren voor de detectie van doelmoleculen bij de diagnostiek van ziekten.

“Traditionele nanozymen worden gemaakt van anorganische, op metaal gebaseerde materialen, waardoor ze te giftig en duur zijn om rechtstreeks op voedsel en landbouw te worden toegepast,” zei Lee.

“Onze onderzoeksgroep is een pionier in de ontwikkeling van volledig op organische verbindingen gebaseerde nanozymen (OC-nanozymen) die peroxidase-achtige activiteiten vertonen. Het OC-nanozym volgt de katalytische activiteit van het natuurlijke enzym, maar is voornamelijk gebaseerd op landbouwvriendelijke organische verbindingen, zoals ureum werkt als een chelaatachtig middel en polyvinylalcohol als deeltjesstabilisator.”

De onderzoekers implementeerden ook een optisch detectiesysteem geïntegreerd met het OC-nanozym voor detectie van doelmoleculen. Colorimetrische testen, één type optische detectiemethoden, maken gebruik van kleurintensiteit om een ​​geschatte concentratie van de aanwezigheid van specifieke moleculen in een stof te verkrijgen, zodat een donkerdere of lichtere kleur een lagere of hogere hoeveelheid doelmoleculen aangeeft. Het nanozym uit organische verbindingen presteerde vergelijkbaar met nanozymen die doorgaans worden gebruikt in biosensortoepassingen binnen hun kinetische profiel met molecuuldetectieprestaties.

“Traditionele nanozymen brengen een groot aantal problemen met zich mee: toxiciteit, langdurige afbraak en een complex productieproces. Ons nanozym is daarentegen sneller te produceren, kosteneffectief, niet-giftig en milieuvriendelijk”, zegt Mohammed Kamruzzaman, assistent-professor. in ABE en co-auteur van het onderzoek.

Lee en Kamruzzaman pasten het op nanozymen gebaseerde, colorimetrische detectieplatform van OC toe om de aanwezigheid van glyfosaat, een veelgebruikt herbicide in de landbouwindustrie, te detecteren. Ze voerden colorimetrische testen uit in oplossingen die verschillende concentraties glyfosaat bevatten, waarbij ze ontdekten dat het organische nanozym in staat was glyfosaat met voldoende nauwkeurigheid te detecteren.

“Er is een toenemende vraag naar het testen van de aanwezigheid van pesticiden of herbiciden in landbouwproducten om de gezondheid van mens en gewas te beschermen. We willen een op OC nanozymen gebaseerd, point-of-use testplatform ontwikkelen voor boeren of consumenten dat dit in het veld of in de praktijk kan toepassen. thuis”, aldus Kamruzzaman.

“Mensen zouden een testkit kopen met een stof die ze met hun monster kunnen mengen, vervolgens een foto maken en een app op hun telefoon gebruiken om de kleurintensiteit te identificeren en te interpreteren of er glyfosaat aanwezig is. Het uiteindelijke doel is om de test draagbaar te maken en overal toepasbaar.”

De onderzoekers werken ook aan de ontwikkeling van aanvullende nanozymen en voorzien dat deze milieuvriendelijke materialen een groot potentieel bieden voor een breed scala aan toepassingen.

Het onderzoek is gepubliceerd in het journaal Nanoschaal.