Forscher entwickeln organische Nanozyme, die für den landwirtschaftlichen Einsatz geeignet sind

Nanozyme sind synthetische Materialien, die die Eigenschaften natürlicher Enzyme für Anwendungen in der Biomedizin und Chemietechnik nachahmen. Historisch gesehen galten sie im Allgemeinen als zu giftig und zu teuer für den Einsatz in der Landwirtschaft und Lebensmittelwissenschaft. Jetzt haben Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign ein Nanozym entwickelt, das organisch, ungiftig, umweltfreundlich und kostengünstig ist.

In einem neu veröffentlichtes PapierSie beschreiben seine Eigenschaften und seine Fähigkeit, das Vorhandensein von Glyphosat, einem in der Landwirtschaft weit verbreiteten Herbizid, nachzuweisen. Ihr Ziel ist es, schließlich ein benutzerfreundliches Testkit für Verbraucher und landwirtschaftliche Erzeuger zu entwickeln.

„Das Wort Nanozyme leitet sich von Nanomaterial und Enzym ab. Nanozyme wurden erstmals vor etwa 15 Jahren entwickelt, als Forscher herausfanden, dass Eisenoxid-Nanopartikel eine ähnliche katalytische Aktivität wie natürliche Enzyme (Peroxidase) ausüben können“, erklärte Dong Hoon Lee, ein Doktorand in der Abteilung für Agrar- und Biotechnik (ABE), Teil des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences (ACES) und des Grainger College of Engineering an der U. of I.

Diese Nanozyme ahmen die Aktivität von Peroxidase nach, einem Enzym, das die Oxidation eines Substrats unter Verwendung von Wasserstoffperoxid als Oxidationsmittel katalysiert. Sie bieten eine höhere Stabilität und geringere Kosten als natürliche Peroxidase und werden häufig in der biomedizinischen Forschung eingesetzt, unter anderem als Biosensoren zum Nachweis von Zielmolekülen in der Krankheitsdiagnostik.

„Traditionelle Nanozyme werden aus anorganischen Materialien auf Metallbasis hergestellt, was sie zu giftig und zu teuer macht, um direkt in der Ernährung und Landwirtschaft eingesetzt zu werden“, sagte Lee.

„Unsere Forschungsgruppe leistet Pionierarbeit bei der Entwicklung vollständig auf organischen Verbindungen basierender Nanozyme (OC-Nanozyme), die Peroxidase-ähnliche Aktivitäten aufweisen. Das OC-Nanozym folgt der katalytischen Aktivität des natürlichen Enzyms, basiert jedoch überwiegend auf landwirtschaftsfreundlichen organischen Verbindungen, wie z Harnstoff wirkt als chelatbildender Wirkstoff und Polyvinylalkohol als Partikelstabilisator.“

Die Forscher implementierten außerdem ein optisches Sensorsystem, das in das OC-Nanozym zur Erkennung von Zielmolekülen integriert ist. Kolorimetrische Tests, eine Art optischer Erfassungsmethoden, nutzen die Farbintensität, um eine geschätzte Konzentration des Vorhandenseins bestimmter Moleküle in einer Substanz bereitzustellen, sodass eine dunklere oder hellere Farbe eine geringere oder höhere Menge an Zielmolekülen anzeigt. Das aus organischen Verbindungen bestehende Nanozym zeigte hinsichtlich seines kinetischen Profils und der Moleküldetektionsleistung eine vergleichbare Leistung wie Nanozyme, die typischerweise in Biosensoranwendungen verwendet werden.

„Herkömmliche Nanozyme bringen eine Vielzahl von Problemen mit sich: Toxizität, langwieriger Abbau und ein komplexer Produktionsprozess. Im Gegensatz dazu ist unser Nanozym schneller herzustellen, kostengünstig, ungiftig und umweltfreundlich“, sagte Mohammed Kamruzzaman, Assistenzprofessor in ABE und Co-Autor der Studie.

Lee und Kamruzzaman nutzten die auf OC-Nanozymen basierende, kolorimetrische Sensorplattform, um das Vorhandensein von Glyphosat zu erkennen, einem weit verbreiteten Herbizid in der Agrarindustrie. Sie führten kolorimetrische Tests in Lösungen mit unterschiedlichen Glyphosatkonzentrationen durch und stellten fest, dass das organische Nanozym Glyphosat erfolgreich und mit ausreichender Genauigkeit nachweisen konnte.

„Es besteht ein zunehmender Bedarf an der Prüfung des Vorhandenseins von Pestiziden oder Herbiziden in landwirtschaftlichen Produkten, um die Gesundheit von Mensch und Nutzpflanzen zu schützen. Wir wollen eine auf OC-Nanozymen basierende Point-of-Use-Testplattform für Landwirte oder Verbraucher entwickeln, die auf dem Feld angewendet werden kann.“ zu Hause“, erklärte Kamruzzaman.

„Die Leute besorgen sich ein Testkit mit einer Substanz, die sie mit ihrer Probe mischen, machen dann ein Foto und verwenden eine App auf ihrem Telefon, um die Farbintensität zu ermitteln und zu interpretieren, ob Glyphosat vorhanden ist. Das ultimative Ziel besteht darin, den Test tragbar zu machen.“ und überall einsetzbar.“

Darüber hinaus arbeiten die Forscher an der Entwicklung weiterer Nanozyme und sehen in diesen umweltfreundlichen Materialien ein großes Potenzial für vielfältige Anwendungen.

Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Nanoskalig.