Las nanoenzimas son materiales sintéticos que tienen propiedades catalíticas similares a las de las enzimas y se utilizan ampliamente con fines biomédicos, como el diagnóstico de enfermedades. Sin embargo, las nanoenzimas inorgánicas suelen ser tóxicas, caras y complicadas de producir, lo que las hace inadecuadas para las industrias agrícola y alimentaria.
por Marianne Stein, Facultad de Ciencias Agrícolas, Ambientales y del Consumidor de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
Un equipo de investigación de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign ha desarrollado nanozimas basadas en materiales orgánicos que no son tóxicas, son respetuosas con el medio ambiente y rentables. En dos nuevos estudios, presentan nanozimas orgánicas de próxima 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) tenía algunos inconvenientes menores, 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 aseguraba la estabilidad de la estructura a nanoescala de la nanozima, pero no lograba un tamaño de partícula lo suficientemente pequeño», dijo el autor principal Dong Hoon Lee, quien completó su doctorado en el Departamento de Ingeniería Agrícola y Biológica (ABE), parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales y la Facultad de Ingeniería Grainger de la Universidad de Illinois.
En la nueva versión, utilizaron un aminoácido básico (L-alanina) y polietilenglicol como materiales constituyentes y una novedosa técnica de síntesis de partículas que les permitió reducir el tamaño de las partículas a menos de 100 nanómetros. Esta nanozima se asemeja a la estructura física e imita la actividad catalítica de las enzimas objetivo.
En el primer estudio publicado en Food Chemistry , los investigadores demostraron que estas nanoenzimas orgánicas (OA) combinadas con una plataforma de detección colorimétrica pueden detectar con éxito la presencia de histamina en productos alimenticios.
«Utilizamos este método analítico en espinacas y berenjenas, que se encuentran entre las principales hortalizas 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 el potencial de ser utilizado en aplicaciones del mundo real como un sistema de detección de moléculas rentable para la alimentación y la agricultura», afirmó Lee.
En otro estudio publicado en el Chemical Engineering Journal , perfeccionaron aún más el novedoso proceso de producción de nanoenzimas orgánicas (OM) y desarrollaron una plataforma colorimétrica integrada en el punto de uso que permite la detección rápida de moléculas agrícolas y biológicas sin un entorno de laboratorio.
«Los métodos de detección convencionales se basan en análisis de laboratorio, pero sería útil contar con un sistema portátil de detección de moléculas para el entorno agrícola y alimentario, similar a los sistemas de punto de atención, como las pruebas de COVID en el hogar», dijo Lee.
Los investigadores primero aplicaron el sistema para detectar la presencia de glifosato, un herbicida agrícola común. Luego, utilizaron el método de reacción en cascada de enzimas para detectar glucosa, que es una molécula biológica común. En ambos casos, su sistema mostró una sensibilidad analítica decente y pudieron obtener resultados precisos en pocos minutos.
«Para completar esta tarea de detección de moléculas en casa, se necesita una aplicación de procesamiento de imágenes para teléfonos inteligentes integrada con una plataforma de detección colorimétrica basada en nanozimas OM . Los usuarios pueden agregar muestras de alimentos a una solución líquida y luego realizar una prueba con una pequeña tira de papel microfluídica para el procedimiento de detección», dijo Mohammed Kamruzzaman, profesor asistente en ABE y coautor del estudio.
«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). Luego, los usuarios pueden tomar una fotografía con su teléfono y la aplicación utiliza un algoritmo para convertir la imagen en color en una concentración estimada de moléculas objetivo».
«Nuestra investigación muestra que las nanoenzimas basadas en materiales orgánicos demuestran un fuerte rendimiento catalítico similar al de las enzimas, al tiempo que ofrecen una alternativa biodegradable y sostenible a las nanoenzimas inorgánicas convencionales, lo que las hace adecuadas para su uso en agricultura, seguridad alimentaria y otros campos biológicos», concluyó Lee.
Más información: Dong Hoon Lee et al., Nanozima orgánica sostenible basada en aminoácidos y plataforma de detección integrada para la detección de histamina, Química alimentaria (2025). DOI: 10.1016/j.foodchem.2025.142751
Dong Hoon Lee et al., Nanozima orgánica sostenible consolidada integrada con plataforma de detección en el punto de uso para la detección dual de moléculas agrícolas y biológicas, Chemical Engineering Journal (2025). DOI: 10.1016/j.cej.2025.159560
