Марианна Штайн, Колледж сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук при Иллинойском университете в Урбане-Шампейне
Нанозимы — это синтетические материалы, обладающие ферментоподобными каталитическими свойствами, и они широко используются в биомедицинских целях, таких как диагностика заболеваний. Однако неорганические нанозимы, как правило, токсичны, дороги и сложны в производстве, что делает их непригодными для сельскохозяйственной и пищевой промышленности.
Исследовательская группа Университета Иллинойса в Урбане-Шампейне разработала нанозимы на основе органических материалов, которые нетоксичны, экологически безопасны и экономически эффективны. В двух новых исследованиях они представляют органические нанозимы следующего поколения и изучают платформу для обнаружения молекул в сельскохозяйственных продуктах в месте их использования .
«Первое поколение нанозимов на основе органических соединений (OC) имело некоторые незначительные недостатки, поэтому наша исследовательская группа работала над их усовершенствованием. Предыдущие нанозимы OC требовали использования полимеров, стабилизирующих частицы, имеющих повторяющиеся функциональные группы, которые гарантировали стабильность наноразмерного каркаса нанозима, но не позволяли достичь достаточно малого размера частиц», — сказал ведущий автор Донг Хун Ли, получивший докторскую степень на кафедре сельскохозяйственной и биологической инженерии (ABE), входящей в Колледж сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук и Инженерный колледж Грейнджера в Университете Иллинойса.
В новой итерации они использовали основную аминокислоту (L-аланин) и полиэтиленгликоль в качестве составных материалов и новую технику синтеза частиц, которая позволила им уменьшить размер частиц до менее 100 нанометров. Этот нанозим напоминает физическую структуру и имитирует каталитическую активность целевых ферментов.
В первом исследовании , опубликованном в журнале Food Chemistry , ученые продемонстрировали, что эти органические (ОА) нанозимы в сочетании с колориметрической сенсорной платформой могут успешно определять наличие гистамина в пищевых продуктах.
«Мы применили этот аналитический метод к шпинату и баклажанам, которые входят в число лучших овощей с высокой концентрацией гистамина, и получили доступный аналитический профиль производительности. Мы смогли показать, что наша система работает не только в лаборатории, но и может быть использована в реальных приложениях в качестве экономически эффективной системы молекулярного зондирования для продуктов питания и сельского хозяйства», — сказал Ли.
В другом исследовании , опубликованном в журнале Chemical Engineering Journal , они дополнительно усовершенствовали новый процесс производства органических (ОМ) нанозимов и разработали интегрированную колориметрическую платформу для точечного использования, которая позволяет быстро обнаруживать сельскохозяйственные и биологические молекулы без лабораторной среды.
«Традиционные методы обнаружения основаны на лабораторном анализе, но было бы полезно иметь портативную систему молекулярного зондирования для сельскохозяйственной и пищевой промышленности, похожую на системы, используемые в местах оказания медицинской помощи, например, тесты на COVID на дому», — сказал Ли.
Сначала исследователи применили систему для обнаружения присутствия глифосата, распространенного сельскохозяйственного гербицида. Затем они использовали метод каскадной реакции ферментов для обнаружения глюкозы, которая является распространенной биологической молекулой. В обоих случаях их система показала достойную аналитическую чувствительность, и они смогли получить точные результаты в течение нескольких минут.
«Чтобы выполнить эту задачу по молекулярному распознаванию дома, вам понадобится приложение для обработки изображений на смартфоне, интегрированное с колориметрической сенсорной платформой на основе OM — нанозима . Пользователи могут добавлять образцы продуктов питания в жидкий раствор, а затем проводить тестирование с помощью небольшой бумажной микрофлюидной полоски для процедуры обнаружения», — сказал Мохаммед Камруззаман, доцент кафедры ABE и соавтор исследования.
«Если полоска меняет цвет на зеленый, вы будете знать, что происходит каталитическая активность, и на основе интенсивности цвета образец может содержать целевую молекулу (в данном случае глифосат или глюкозу). Затем пользователи могут сделать снимок на свой телефон, и приложение использует алгоритм для преобразования цветного изображения в предполагаемую концентрацию целевых молекул».
«Наше исследование показывает, что нанозимы на основе органических материалов демонстрируют высокую каталитическую эффективность, подобную ферментам, и при этом являются биоразлагаемой и устойчивой альтернативой обычным неорганическим нанозимам, что делает их пригодными для использования в сельском хозяйстве, пищевой безопасности и других биологических областях», — заключил Ли.
Дополнительная информация: Донг Хун Ли и др., Устойчивый органический нанозим на основе аминокислот и интегрированная сенсорная платформа для обнаружения гистамина, Пищевая химия (2025). DOI: 10.1016/j.foodchem.2025.142751
Донг Хун Ли и др., Объединенный устойчивый органический нанозим, интегрированный с сенсорной платформой Point-Of-Use для двойного обнаружения сельскохозяйственных и биологических молекул, Chemical Engineering Journal (2025). DOI: 10.1016/j.cej.2025.159560
Информация о журнале: Журнал химической инженерии , Пищевая химия
Предоставлено — Колледжем сельскохозяйственных, потребительских и экологических наук Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне