Las nanozimas son materiales sintéticos que imitan las propiedades de las enzimas naturales para aplicaciones en biomedicina e ingeniería química.
por Marianne Stein, Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Históricamente, generalmente se consideran demasiado tóxicos y costosos para su uso en agricultura y ciencia de los alimentos. Ahora, investigadores de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign han desarrollado una nanozima que es orgánica, no tóxica, respetuosa con el medio ambiente y rentable.
En un artículo recién publicado , describen sus características y su capacidad para detectar la presencia de glifosato, un herbicida agrícola común. Su objetivo es crear eventualmente un kit de prueba fácil de usar para consumidores y productores agrícolas.
“La palabra nanozima se deriva de nanomaterial y enzima. Las nanozimas se desarrollaron por primera vez hace unos 15 años, cuando los investigadores descubrieron que las nanopartículas de óxido de hierro pueden realizar una actividad catalítica similar a las enzimas naturales (peroxidasa)”, explicó Dong Hoon Lee, estudiante de doctorado en la Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica (ABE), parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales (ACES) y la Facultad de Ingeniería Grainger de la U. of I.
Estas nanozimas imitan la actividad de la peroxidasa, una enzima que cataliza la oxidación de un sustrato mediante el uso de peróxido de hidrógeno como agente oxidante. Proporcionan mayor estabilidad y menor costo que la peroxidasa natural, y se usan ampliamente en la investigación biomédica , incluidos los biosensores para la detección de moléculas diana en el diagnóstico de enfermedades.
“Las nanozimas tradicionales se crean a partir de materiales inorgánicos a base de metales, lo que las hace demasiado tóxicas y costosas para ser aplicadas directamente en la alimentación y la agricultura”, dijo Lee.
“Nuestro grupo de investigación es pionero en el desarrollo de nanozimas basadas en compuestos totalmente orgánicos (nanozimas OC) que exhiben actividades similares a la peroxidasa. La nanozima OC sigue la actividad catalítica de la enzima natural, pero se basa predominantemente en compuestos orgánicos amigables con la agricultura, como urea que actúa como agente quelante y alcohol polivinílico como estabilizador de partículas”.
Los investigadores también implementaron un sistema de detección óptica integrado con la nanozima OC para la detección de moléculas objetivo. Los ensayos colorimétricos, un tipo de métodos de detección óptica, utilizan la intensidad del color para proporcionar una concentración estimada de la presencia de moléculas específicas en una sustancia, de modo que un color más oscuro o más claro indica una cantidad mayor o menor de moléculas objetivo. La nanozima de compuesto orgánico se desempeñó a la par de las nanozimas utilizadas típicamente en aplicaciones de biodetección dentro de su perfil cinético con rendimiento de detección de moléculas.
“Las nanozimas tradicionales presentan una serie de problemas: toxicidad, degradación prolongada y un proceso de producción complejo. Por el contrario, nuestra nanozima es más rápida de producir, rentable, no tóxica y respetuosa con el medio ambiente”, afirmó Mohammed Kamruzzaman, profesor asistente. en ABE y coautor del estudio.
Lee y Kamruzzaman aplicaron la plataforma de detección colorimétrica basada en nanozimas OC para detectar la presencia de glifosato, un herbicida ampliamente utilizado en la industria agrícola. Realizaron ensayos colorimétricos en soluciones que contenían concentraciones variables de glifosato y descubrieron que la nanozima orgánica podía detectar con éxito el glifosato con una precisión adecuada.
“Existe una demanda cada vez mayor de probar la presencia de pesticidas o herbicidas en productos agrícolas para proteger la salud humana y de los cultivos. Queremos desarrollar una plataforma de prueba en el punto de uso basada en nanozimas OC para agricultores o consumidores que pueda aplicarse en el campo o en casa”, afirmó Kamruzzaman.
“La gente obtendría un kit de prueba con una sustancia para mezclar con su muestra, luego tomaría una fotografía y usaría una aplicación en su teléfono para identificar la intensidad del color e interpretar si hay glifosato presente. El objetivo final es hacer que la prueba sea portátil y aplicable en cualquier lugar.”
Los investigadores también están trabajando en el desarrollo de nanozimas adicionales y consideran que estos materiales respetuosos con el medio ambiente tienen un gran potencial para una amplia gama de aplicaciones.
La investigación se publica en la revista Nanoscale .
Más información: Dong Hoon Lee et al, Nanozimas basadas en compuestos orgánicos para la detección de herbicidas agrícolas, Nanoscale (2023). DOI: 10.1039/D3NR02025H
