Органические нанозимы имеют широкое применение от пищевой промышленности и сельского хозяйства до биомедицины.

Нанозимы — это крошечные, сконструированные вещества, которые имитируют каталитические свойства природных ферментов, и они служат различным целям в биомедицине, химической инженерии и экологических приложениях. Обычно они изготавливаются из неорганических материалов, включая элементы на основе металлов, что делает их непригодными для многих целей из-за их токсичности и высоких производственных затрат.

Нанозимы на основе органических веществ частично преодолевают некоторые из этих проблем и имеют потенциал для более широкого спектра применений, включая продукты питания и сельское хозяйство, но они все еще находятся на ранних стадиях разработки. Новая статья из Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне дает обзор текущего состояния органических нанозимов и их будущего потенциала.

Статья «Достижения в области нанозимов на основе органических материалов для более широкого применения» опубликована в Тенденции в химии.

«Неорганические нанозимы появились только в 2007 году, когда исследователи обнаружили, что наночастицы оксида железа могут проявлять каталитическую активность, аналогичную природным ферментам, таким как пероксидаза. Их использование быстро расширяется, но у них есть несколько серьезных недостатков.

«Они производятся из дорогих ингредиентов, и для их изготовления требуется трудоемкий и сложный инженерный процесс. Они потенциально токсичны для людей и окружающей среды, и они не разлагаются естественным путем, поэтому они вызывают проблемы с утилизацией отходов», — сказал ведущий автор Донг Хун Ли, докторант кафедры сельскохозяйственной и биологической инженерии (ABE), входящей в Колледж сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук и Инженерный колледж Грейнджера при Университете Иллинойса.

По словам Мохаммеда Камруззамана, доцента кафедры биологической инженерии и соавтора исследования, эти проблемы привели к появлению органических нанозимов несколько лет назад.

«Органические нанозимы экономически эффективны, нетоксичны и экологически безопасны. Процесс их изготовления менее сложен, и их можно произвести за несколько часов по сравнению с несколькими днями для неорганических нанозимов», — заявил он.

«Они также намного дешевле. Драгоценные металлы, которые используются для неорганических нанозимов, стоят около 400 долларов за грамм, в то время как органические материалы и компоненты переходных металлов стоят менее 50 центов за грамм. Это делает их гораздо более доступными для использования в реальных приложениях за пределами лаборатории», — добавил он.

Более того, органические нанозимы устойчивы, и некоторые из них биоразлагаемы. Они все еще содержат небольшой металлический компонент, такой как железо или медь, который необходим для формирования «активного центра» для ферментоподобной каталитической активности, но на гораздо более низком уровне токсичности.

В статье исследователи выделяют четыре основных типа органических нанозимов на основе органических материалов, которые используются для их создания, включая полимеры, биомакромолекулы (в первую очередь целлюлозу), органические соединения и биологические материалы, такие как ДНК и пептиды. Они описывают химическую структуру, компоненты, функциональность и каталитическую активность для каждого из этих типов, предоставляя фундаментальную информацию для других ученых. Они также иллюстрируют соответствующие приложения от сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды до биомедицины.

Неорганические нанозимы возникли в биомедицинской области, и именно там проводится около 80% исследований, отметил Камруззаман. Например, они используются в диагностической медицине, визуализации, терапии и биосенсорике. Однако существуют опасения по поводу врожденной токсичности и их влияния на жизнеспособность клеток в терапевтических приложениях. Органические нанозимы могут развеять эти опасения и расширить применение на продукты питания и сельское хозяйство.

В предыдущем исследовании Камруззаман и Ли стали пионерами в использовании органических нанозимов, ориентированных на сельское хозяйство, и внедрили молекулярные сенсорные инструменты, которые могут обнаруживать наличие сельскохозяйственных пестицидов в пищевых продуктах. Конечная цель — создать простой набор для тестирования, который люди могут применять где угодно и сканировать результаты с помощью приложения для телефона, чтобы получить цветовое показание, указывающее концентрацию пестицида в пище. Также было представлено несколько дополнительных органических нанозимов, изготовленных из устойчивых материалов, и ведутся работы над более совершенными системами молекулярного сенсора.

«Органические нанозимы имеют много преимуществ по сравнению с неорганическими нанозимами, но они все еще находятся на ранних стадиях разработки, и нам необходимо преодолеть множество проблем, чтобы применять их в продовольственном и сельскохозяйственном секторе», — сказал Камруззаман.

Одним из препятствий является ограниченный набор подходящих органических материалов для производства. Исследователи отмечают, что липиды или аминокислоты являются перспективными материалами для будущих прототипов, которые могут сыграть решающую роль в разработке следующего поколения нанозимов.