Forscher aus Illinois entwickeln organische Nanoenzyme der nächsten Generation und ein Point-of-Use-System für Lebensmittel und landwirtschaftliche Zwecke
Nanoenzyme sind synthetische Materialien, die enzymähnliche katalytische Eigenschaften haben, und sie werden in großem Umfang für biomedizinische Zwecke wie die Krankheitsdiagnostik eingesetzt. Anorganische Nanoenzyme sind jedoch in der Regel giftig, teuer und kompliziert in der Herstellung, so dass sie für die Agrar- und Lebensmittelindustrie ungeeignet sind. Ein Forscherteam der University of Illinois Urbana-Champaign hat auf organischen Materialien basierende Nanoenzyme entwickelt, die ungiftig, umweltfreundlich und kostengünstig sind. In zwei neuen Studien stellen sie organische Nanoenzyme der nächsten Generation vor und untersuchen eine Point-of-Use-Plattform für den Nachweis von Molekülen in landwirtschaftlichen Produkten.
"Die erste Generation von Nanoenzymen auf der Basis organischer Verbindungen (OC) hatte einige kleinere Nachteile, so dass unsere Forschungsgruppe daran arbeitete, Verbesserungen vorzunehmen. Die früheren OC-Nanozyme erforderten die Verwendung von partikelstabilisierenden Polymeren mit wiederholbaren funktionellen Gruppen, die die Stabilität des Nanozyms im Nanomaßstab sicherstellten, aber keine ausreichend kleine Partikelgröße erreichten", sagte der Hauptautor Dong Hoon Lee, der am Department of Agricultural and Biological Engineering (ABE), das zum College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences und dem Grainger College of Engineering der U.I. gehört, promovierte.
In der neuen Version verwendeten sie eine zentrale Aminosäure (L-Alanin) und Polyethylenglykol als Ausgangsmaterial sowie eine neuartige Partikelsynthesetechnik, die es ihnen ermöglichte, die Partikelgröße auf weniger als 100 Nanometer zu reduzieren. Dieses Nanoenzym ähnelt dem physikalischen Gerüst und ahmt die katalytische Aktivität der Zielenzyme nach.
In der ersten Studie zeigten die Forscher, dass diese organischen (OA) Nanoenzyme in Kombination mit einer kolorimetrischen Sensorplattform das Vorhandensein von Histamin in Lebensmitteln erfolgreich nachweisen können.
"Wir haben diese Analysemethode bei Spinat und Auberginen angewandt, die zu den wichtigsten Gemüsesorten mit einer hohen Histaminkonzentration gehören, und wir erhielten ein erschwingliches analytisches Leistungsprofil. Wir konnten zeigen, dass unser System nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch das Potenzial hat, in der Praxis als kostengünstiges Molekülsensor-System für Lebensmittel und Landwirtschaft eingesetzt zu werden", so Lee.
In einer weiteren Studie haben sie das neuartige organische (OM) Nanozymproduktionsverfahren weiter verfeinert und eine integrierte, kolorimetrische Point-of-Use-Plattform entwickelt, die den schnellen Nachweis von landwirtschaftlichen und biologischen Molekülen ohne Laborumgebung ermöglicht.
"Herkömmliche Nachweismethoden basieren auf Laboranalysen, aber es wäre hilfreich, ein tragbares Molekülerkennungssystem für die Landwirtschaft und die Lebensmittelindustrie zu haben, ähnlich wie Point-of-Care-Systeme wie COVID-Tests für den Hausgebrauch", sagte Lee.
Die Forscher wendeten das System zunächst zum Nachweis von Glyphosat an, einem gängigen Herbizid in der Landwirtschaft. Als Nächstes wendeten sie die Enzymkaskadenreaktionsmethode zum Nachweis von Glukose an, einem häufigen biologischen Molekül. In beiden Fällen zeigte ihr System eine gute analytische Empfindlichkeit, und sie waren in der Lage, innerhalb weniger Minuten genaue Ergebnisse zu erhalten.
"Um diese Molekülsensorik zu Hause durchführen zu können, benötigt man eine Smartphone-Bildverarbeitungs-App, die mit einer kolorimetrischen Sensorplattform auf OM-Nanozymbasis integriert ist. Die Nutzer können Lebensmittelproben in eine flüssige Lösung geben und dann mit einem kleinen mikrofluidischen Papierstreifen testen, um den Nachweis zu führen. Wenn sich der Streifen grün färbt, weiß man, dass eine katalytische Aktivität stattfindet, und je nach Farbintensität enthält die Probe möglicherweise das Zielmolekül (in diesem Fall Glyphosat oder Glukose). Dann können die Nutzer mit ihrem Telefon ein Foto machen, und die App wandelt das Farbbild mit Hilfe eines Algorithmus in eine geschätzte Konzentration der Zielmoleküle um", so Mohammed Kamruzzaman, Assistenzprofessor in ABE und Mitautor der Studie.
"Unsere Forschung zeigt, dass auf organischen Materialien basierende Nanozyme eine starke enzymähnliche katalytische Leistung aufweisen und gleichzeitig eine biologisch abbaubare, nachhaltige Alternative zu herkömmlichen anorganischen Nanozymen darstellen, wodurch sie sich für den Einsatz in der Landwirtschaft, der Lebensmittelsicherheit und weiteren biologischen Bereichen eignen", schloss Lee.
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Originalveröffentlichung
Dong Hoon Lee, Mohammed Kamruzzaman; "Amino acid-based, sustainable organic nanozyme and integrated sensing platform for histamine detection"; Food Chemistry, Volume 471
Dong Hoon Lee, Mohammed Kamruzzaman; "Consolidated sustainable organic nanozyme integrated with Point-Of-Use sensing platform for dual agricultural and biological molecule detection"; Chemical Engineering Journal, Volume 506
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