Investigadores de Illinois desarrollan nanozimas orgánicas de nueva generación y un sistema de punto de uso alimentario y agrícola
Las nanozimas son materiales sintéticos con propiedades catalíticas similares a las de las enzimas, y se utilizan ampliamente con fines biomédicos, como el diagnóstico de enfermedades. Sin embargo, las nanozimas inorgánicas suelen ser tóxicas, caras y complicadas de producir, lo que las hace inadecuadas para las industrias agrícola y alimentaria. Un equipo de investigación de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ha desarrollado nanozimas basadas en materiales orgánicos que no son tóxicas, son respetuosas con el medio ambiente y resultan rentables. En dos nuevos estudios, presentan nanozimas orgánicas de nueva generación y exploran una plataforma de punto de uso para la detección de moléculas en productos agrícolas.
"La primera generación de nanozimas basadas en compuestos orgánicos (OC) presentaba algunos pequeños inconvenientes, por lo que nuestro grupo de investigación trabajó para introducir mejoras. Las nanozimas OC anteriores requerían el uso de polímeros estabilizadores de partículas con grupos funcionales repetibles, lo que garantizaba la estabilidad del armazón a nanoescala de la nanozima, pero no lograban un tamaño de partícula suficientemente pequeño", explica el autor principal, Dong Hoon Lee, doctorado por el Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica (ABE), que forma parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumo y Medioambientales y de la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois.
En la nueva iteración, utilizaron un aminoácido central (L-alanina) y polietilenglicol como materiales constituyentes y una novedosa técnica de síntesis de partículas que les permitió reducir el tamaño de éstas a menos de 100 nanómetros. Esta nanozima se asemeja al marco físico e imita la actividad catalítica de las enzimas diana.
En el primer estudio, los investigadores demostraron que estas nanozimas orgánicas (OA) combinadas con una plataforma de detección colorimétrica pueden detectar con éxito la presencia de histamina en productos alimentarios.
"Utilizamos este método analítico en espinacas y berenjenas, que se encuentran entre las principales verduras con una alta concentración de histamina, y obtuvimos un perfil de rendimiento analítico asequible. Pudimos demostrar que nuestro sistema no sólo funciona en el laboratorio, sino que tiene potencial para ser utilizado en aplicaciones del mundo real como sistema rentable de detección de moléculas para la alimentación y la agricultura", afirma Lee.
En otro estudio, perfeccionaron el novedoso proceso de producción de nanozimas orgánicas (OM) y desarrollaron una plataforma colorimétrica integrada de punto de uso que permite la detección rápida de moléculas agrícolas y biológicas sin necesidad de un entorno de laboratorio.
"Los métodos de detección convencionales se basan en análisis de laboratorio, pero sería útil disponer de un sistema portátil de detección de moléculas para el entorno agrícola y alimentario, similar a los sistemas de punto de atención, como las pruebas COVID domésticas", afirma Lee.
Los investigadores aplicaron primero el sistema para detectar la presencia de glifosato, un herbicida común en la agricultura. A continuación, utilizaron el método de reacción en cascada enzimática para detectar glucosa, una molécula biológica común. En ambos casos, el sistema demostró una sensibilidad analítica aceptable y fue capaz de obtener resultados precisos en pocos minutos.
"Para llevar a cabo esta tarea de detección de moléculas en casa, se necesita una aplicación de procesamiento de imágenes para smartphone integrada con una plataforma de detección colorimétrica basada en OM-nanozimas. Los usuarios pueden añadir muestras de alimentos a una solución líquida y, a continuación, realizar la prueba con una pequeña tira microfluídica de papel para el procedimiento de detección. Si la tira cambia de color a verde, sabrá que se produce actividad catalítica y, según la intensidad del color, la muestra puede contener la molécula objetivo (en este caso, glifosato o glucosa). A continuación, los usuarios pueden hacer una foto con su teléfono y la aplicación utiliza un algoritmo para convertir la imagen en color en una concentración estimada de las moléculas objetivo", explica Mohammed Kamruzzaman, profesor adjunto de ABE y coautor del estudio.
"Nuestra investigación demuestra que las nanozimas basadas en materiales orgánicos tienen un gran rendimiento catalítico similar al de las enzimas y ofrecen una alternativa biodegradable y sostenible a las nanozimas inorgánicas convencionales, lo que las hace adecuadas para su uso en agricultura, seguridad alimentaria y otros campos biológicos", concluye Lee.
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Publicación original
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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