Wissenschaftler entwickeln Nanozym-Mimetikum, das Abwässer unter Sonnenlicht abbaut

Wissenschaftler am Materials Research Center (MRC) des Indian Institute of Science (IISc) haben eine neue Art von Enzymmimetikum entwickelt, das giftige Chemikalien in Industrieabwässern in Gegenwart von Sonnenlicht effektiv abbauen kann.

Enzyme sind Proteine, die einen Großteil der biologischen Reaktionen in lebenden Systemen katalysieren. Die praktische Verwendung natürlicher Enzyme wird jedoch durch bestimmte inhärente Einschränkungen stark behindert. Zu diesen Einschränkungen gehören die Empfindlichkeit gegenüber Denaturierung (Abbau/Beschädigung), komplexe Produktionsverfahren, hohe Kosten und Schwierigkeiten beim Recycling, sagt Subinoy Rana, Assistenzprofessor am MRC und korrespondierender Autor des in veröffentlichten Artikels Nanoskalig.

Die Massenproduktion dieser Enzyme ist ein teurer und zeitaufwändiger Prozess. Beispielsweise wird Laccase, ein natürliches Enzym, das in der Industrie zum Abbau von Phenolen verwendet wird, aus einem Pilz namens Weißfäule gewonnen. Die Menge des produzierten Enzyms hängt jedoch davon ab, wie viel Pilz zu einem bestimmten Zeitpunkt verfügbar ist. „Es ist ein langer Prozess und es ist schwierig, sie in Mengen von mehr als einem Milligramm herzustellen“, sagt Rana. Ein weiteres Problem ist die Lagerung – die meisten natürlichen Enzyme sind temperaturempfindlich und müssen bei kühleren Temperaturen gelagert werden, oft bis zu –20 °C.

Im Labor hergestellte Enzymmimetika oder „Nanozyme“ in Nanogröße können solche natürlichen Enzyme nachahmen und diese praktischen Herausforderungen überwinden.

In der aktuellen Studie synthetisierte das IISc-Team ein platinhaltiges Nanozym namens NanoPtA, das für den industriellen Einsatz in Pulverform umgewandelt werden kann. Es ahmt die Funktion von Oxidasen nach – natürlichen Enzymen, die in Gegenwart von Sauerstoff Wasserstoff aus Substraten entfernen und so Wasser ergeben. Dieses Nanozym ist nicht nur hochspezifisch beim Abbau bestimmter Substrate, sondern auch robust, da es einer Reihe von pH- und Temperaturschwankungen standhält.

Wenn NanoPtA mit Abwasser in Kontakt kommt, bilden die im Molekül vorhandenen Benzolringe und langen Alkylketten mehrere nichtkovalente Wechselwirkungen. Einzelne NanoPtA-Moleküle verbinden sich zu bandartigen Strukturen, die beginnen, Licht zu emittieren, was den Ursprung seiner Oxidationskapazität darstellt. Das Nanozyme kann dann im Abwasser vorhandene Schadstoffe abbauen, indem es sie in Gegenwart von Sonnenlicht oxidiert, wodurch die Toxizität des Abwassers verringert wird.

Das Team testete die Wirkung des Nanozyms auf gängige Abwässer, die das Wasser verschmutzen, wie Phenole und Farbstoffe. Sie fanden heraus, dass es selbst kleine (mikromolare) Mengen an Phenolen und Farbstoffen innerhalb von zehn Minuten abbauen konnte, wenn es dem Sonnenlicht ausgesetzt wurde. Die Forscher fanden außerdem heraus, dass der NanoPtA-Komplex recht stabil war und bei Raumtemperatur bis zu 75 Tage haltbar war. „Proteine ​​werden im Allgemeinen bei –20 °C oder 4 °C gelagert, aber in diesem Fall kann es bei Raumtemperatur gelagert werden“, sagt Rana. Tatsächlich war das NanoPtA bei Raumtemperatur mehr als sechs Monate lang stabil, fanden die Forscher heraus.

Das Team glaubt, dass das Nanozym nicht nur zum Abbau giftiger Schadstoffe nützlich ist, sondern auch im Gesundheitswesen Anwendung finden kann. Sie testeten seine Fähigkeit, Neurotransmitter wie Dopamin und Adrenalin zu oxidieren – wenn diese Moleküle oxidiert werden, zeigen sie in Lösung eine Farbänderung, die dann zur Messung ihrer Konzentration verwendet werden kann.

„Das ist wichtig, weil diese Neurotransmitter mit Parkinson, Alzheimer und Herzstillstand in Verbindung gebracht werden“, sagt Rohit Kapila, Erstautor und Ph.D. Student am MRC, IISc. Die Messung dieser Neurotransmitter mithilfe solcher Nanozyme könne möglicherweise ein nützliches Diagnoseinstrument für neurologische und neurodegenerative Erkrankungen sein, fügt er hinzu.

Für die Zukunft planen die Forscher, das Nanozym patentieren zu lassen, da sie glauben, dass es problemlos in großen Mengen im industriellen Maßstab hergestellt werden kann. Ranas Gruppe sucht auch nach kostengünstigeren Metallalternativen zu Platin im Nanozyme-Komplex.