Organische Nanozyme finden breite Anwendung in der Lebensmittel- und Landwirtschaft sowie in der Biomedizin

Nanozyme sind winzige, künstlich hergestellte Substanzen, die die katalytischen Eigenschaften natürlicher Enzyme nachahmen und in der Biomedizin, der chemischen Verfahrenstechnik und in Umweltanwendungen für verschiedene Zwecke eingesetzt werden. Sie werden in der Regel aus anorganischen Materialien, darunter auch Metallen, hergestellt, was sie aufgrund ihrer Toxizität und hohen Produktionskosten für viele Zwecke ungeeignet macht.

Organische Nanozyme überwinden einige dieser Probleme teilweise und haben das Potenzial für eine breitere Palette von Anwendungen, darunter Lebensmittel und Landwirtschaft, aber sie befinden sich noch in der frühen Entwicklungsphase. Ein neues Papier der University of Illinois Urbana-Champaign bietet einen Überblick über den aktuellen Stand organischer Nanozyme und ihr zukünftiges Potenzial.

Der Papier „Fortschritte bei Nanozymen auf Basis organischer Materialien für breitere Anwendungen“, ist erschienen in Trends in der Chemie.

„Anorganische Nanozyme gibt es erst seit 2007, als Forscher entdeckten, dass Eisenoxid-Nanopartikel eine katalytische Aktivität aufweisen können, die der von natürlichen Enzymen wie Peroxidase ähnelt. Ihre Verwendung hat sich rasch weiterentwickelt, aber sie haben einige große Nachteile.

„Sie werden aus teuren Zutaten hergestellt und ihre Herstellung erfordert einen zeitaufwändigen, aufwändigen technischen Prozess. Sie sind potenziell giftig für Mensch und Umwelt und nicht natürlich abbaubar, sodass sie Probleme bei der Abfallbewirtschaftung verursachen“, sagte der Hauptautor Dong Hoon Lee, ein Doktorand in der Abteilung für Agrar- und Biotechnik (ABE), die Teil des College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences und des Grainger College of Engineering an der U. of I ist.

Diese Probleme führten vor einigen Jahren zur Entstehung organischer Nanozyme, sagte Mohammed Kamruzzaman, Assistenzprofessor für ABE und Co-Autor der Studie.

„Organische Nanozyme sind kostengünstig, ungiftig und umweltfreundlich. Der Herstellungsprozess ist weniger kompliziert und sie können in wenigen Stunden produziert werden, im Vergleich zu mehreren Tagen bei anorganischen Nanozymen“, erklärte er.

„Sie sind außerdem viel billiger. Die Edelmetalle, die für anorganische Nanozyme verwendet werden, kosten etwa 400 Dollar pro Gramm, während die organischen Materialien und Übergangsmetallkomponenten weniger als 50 Cent pro Gramm kosten. Das macht sie für den Einsatz in realen Anwendungen außerhalb des Labors viel zugänglicher“, fügte er hinzu.

Darüber hinaus sind organische Nanozyme nachhaltig und einige von ihnen sind biologisch abbaubar. Sie enthalten immer noch eine kleine Metallkomponente wie Eisen oder Kupfer, die zur Bildung eines „aktiven Zentrums“ für die enzymähnliche katalytische Aktivität erforderlich ist, jedoch mit einem viel geringeren Toxizitätsniveau.

In dem Artikel identifizieren die Forscher vier Haupttypen organischer Nanozyme auf der Grundlage der organischen Materialien, die zu ihrer Herstellung verwendet werden, darunter Polymere, Biomakromoleküle (hauptsächlich Zellulose), organische Verbindungen und biologische Materialien wie DNA und Peptide. Sie beschreiben die chemische Struktur, Komponenten, Funktionalität und katalytische Aktivität jedes dieser Typen und liefern damit grundlegende Informationen für andere Wissenschaftler. Sie veranschaulichen auch die entsprechenden Anwendungen von der Landwirtschaft über Lebensmittel und Umwelt bis hin zur Biomedizin.

Anorganische Nanozyme stammen ursprünglich aus der Biomedizin, und dort werden laut Kamruzzaman auch etwa 80 % der Forschung betrieben. Sie werden beispielsweise in der Diagnostik, Bildgebung, Therapie und Biosensorik eingesetzt. Allerdings bestehen bei therapeutischen Anwendungen Bedenken hinsichtlich ihrer inhärenten Toxizität und ihrer Auswirkungen auf die Zelllebensfähigkeit. Organische Nanozyme können diese Bedenken ausräumen und ihre Anwendungsmöglichkeiten auf Lebensmittel und Landwirtschaft ausweiten.

In einer früheren Studie waren Kamruzzaman und Lee Vorreiter bei der Verwendung von organischen Nanozymen aus der Landwirtschaft und integrierten molekulare Sensorwerkzeuge, die das Vorhandensein von landwirtschaftlichen Pestiziden in Lebensmitteln nachweisen können. Das ultimative Ziel ist die Entwicklung eines einfachen Testkits, das Menschen überall anwenden und die Ergebnisse mit einer Telefon-App scannen können, um eine Farbanzeige zu erhalten, die die Pestizidkonzentration in den Lebensmitteln angibt. Außerdem wurden mehrere zusätzliche organische Nanozyme aus nachhaltigen Materialien eingeführt, und weitere fortschrittliche molekulare Sensorsysteme sind in Arbeit.

„Organische Nanozyme haben im Vergleich zu anorganischen Nanozymen viele Vorteile, aber sie befinden sich noch in der frühen Entwicklungsphase und es gibt viele Herausforderungen, die wir überwinden müssen, um sie im Lebensmittel- und Agrarsektor anzuwenden“, sagte Kamruzzaman.

Ein Hindernis ist die begrenzte Auswahl an geeigneten organischen Materialien für die Produktion. Die Forscher weisen darauf hin, dass Lipide oder Aminosäuren vielversprechende Materialien für zukünftige Prototypen sind, die bei der Entwicklung der nächsten Generation von Nanozymen eine entscheidende Rolle spielen könnten.