Design of A Novel Phosphohydrolase Mimic Enzyme And Its Enhanced Phosphohydrolase Activity for Rapid and Colorimetric Detection of Organophosphorus Pesticides

في الجهود العالمية للحفاظ على سلامة الغذاء، يبرز تحدٍ مستمر يتمثل في الآثار غير المرئية للمبيدات الكيميائية التي يمكن أن تظل عالقة في الفواكه والخضروات. ومن بين هذه المواد، تُستخدم مجموعة محددة تُعرف باسم مبيدات الفوسفور العضوية على نطاق واسع لحماية المحاصيل من الحشرات، لكن وجودها في الغذاء يشكل مخاطر صحية جسيمة على البشر، بما في ذلك الأضرار المحتملة للجهاز العصبي. ولأن هذه المواد الكيميائية خطيرة للغاية، وضعت المنظمات الصحية الدولية حدودًا صارمة لكمية ما يمكن أن يتبقى منها في الإمدادات الغذائية. ومع ذلك، فإن فحص هذه الكميات الضئيلة أمر صعب؛ إذ تتطلب الطرق القياسية المستخدمة في المختبرات آلات ضخمة وباهظة الثمن وخبراء مدربين تدريبًا عاليًا، مما يجعلها بطيئة ومكلفة للغاية لإجراء فحوصات سريعة في الميدان. لطالًا ما سعى العلماء لإيجاد طريقة أبسط للكشف عن هذه السموم، وغالبًا ما بحثوا في الطبيعة عن الإلهام. ففي جسم الإنسان، تعمل الإنزيمات الطبيعية كآلات بيولوجية يمكنها تفكيك هذه المواد الكيميائية الضارة، لكن حصاد هذه الإنزيمات الطبيعية أمر صعب ومكلف، وغالبًا ما تفقد قوتها عندما تتغير الظروف. وقد أدى هذا بالباحثين إلى استكشاف إنشاء نسخ اصطناعية، تُسمى "الإنزيمات النانوية" (nanozymes)، وهي هياكل صغيرة من صنع الإنسان مصممة لمحاكاة عمل الإنزيمات الطبيعية ولكن بقوة واستقرار أكبر.

قام فريق من الباحثين في جامعة تشينغتشو للصناعة الخفيفة بتصميم نوع جديد من هذه الإنزيمات الاصطناعية التي تعمل بسرعة ودقة مذهلتين. لقد ابتكروا مادة مكونة من جزأين متميزين يعملان معًا: قلب من أكسيد السيريوم، وهو نوع من أكاسيد المعادن، مغلف بغلاف من هيكل يشبه القفص ذي المسام يُسمى "الإطار المعدني العضوي". أطلق الباحثون على هذه المادة الجديدة اسم CeO2@ZIF-90. كان هدفهم هو بناء آلة لا يمكنها فقط تفكيك المبيد، بل وأيضًا الإشارة إلى وجوده بطريقة يسهل رؤيتها أو قياسها. فعندما تلتقي هذه المادة الجديدة بمبيد محدد يُسمى "ميثيل باراثيون"، تعمل مثل مقص جزيئي، حيث تقطع هذا الكيميائي إلى أجزاء. وهذا الفعل من القطع يحول المبيد غير المرئي إلى مادة مختلفة تسمى "بارا-نيتروفينول". وهذه المادة الجديدة مميزة لأنها تتحول إلى لون أصفر زاهٍ، مما يجعل التهديد غير المرئي مرئيًا بالعين المجردة.

اختبر الباحثون مدى فعالية هذه المادة الجديدة عن طريق خلطها بالمبيد في بيئة مختبرية. ووجدوا أن المادة فعالة للغاية في تفكيك المادة الكيميائية، حيث تنتج لونًا أصفر قويًا يمكن قياسه باستخدام مستشعر ضوئي بسيط. وكلما زادت كمية المبيد الموجودة في العينة، زادت شدة اللون الأصفر، مما سمح للفريق بحساب كمية السم الموجودة بدقة. واكتشفوا أن هذه الطريقة يمكنها اكتشاف المبيد بكميات صغيرة جدًا، تتراوح من جزء ضئيل من المليمول إلى تركيز أكبر قليلاً، مع حد كشف منخفض بما يكفي ليكون مفيدًا لسلامة الغذاء. ولإثبات أن المادة ليست مجرد "أداة ذات حيلة واحدة"، اختبرها الفريق أيضًا باستخدام طريقة كهربائية. ولأن المادة الصفراء الناتجة عن التفاعل يمكنها نقل تيار كهربائي، فقد قاموا بتثبيت المادة على قطب كهربائي وقياس الإشارة الكهربائية. كانت هذه الطريقة الثانية أكثر حساسية، حيث كانت قادرة على رصد حتى الآثار الأصغر من المبيد، مما أكد أن المادة تعمل بشكل جيد بطريقتين مختلفتين في آن واحد.

إن أحد أهم الاختبارات لأي مستشعر جديد هو ما إذا كان سيختلط عليه الأمر مع أشياء أخرى. ففي وعاء من عصير الفاكهة أو عينة من التربة، توجد العديد من المواد الكيميائية المختلفة التي يمكن أن تخدع الكاشف. اختبر الباحثون مادتهم الجديدة ضد قائمة طويلة من المواد الشائعة، بما في ذلك السكريات والأملاح وأنواع أخرى من المبيدات. وأظهرت النتائج أن المادة كانت "انتقائية" بشكل ملحوظ؛ فقد تفاعلت بقوة فقط مع المبيد المحدد الذي صُممت لإيجاده، وهو الميثيل باراثيون، وتجاهلت المواد الكيميائية الأخرى إلى حد كبير. هذا المستوى العالي من الانتقائية يعني أن المستشعر من غير المرجح أن يعطي إنذارًا كاذبًا عند استخدامه على أطعمة حقيقية. علاوة على ذلك، أثبتت المادة أنها قوية وموثوقة؛ حيث يمكن استخدامها بشكل متكرر دون أن تفقد قدرتها على العمل، وظلت فعالة حتى بعد تخزينها لمدة شهر تقريبًا، مما يشير إلى أنها مستقرة بما يكفي للاستخدام العملي خارج المختبر الخاضع للرقابة.

ولرؤية ما إذا كان هذا الاكتشاف يمكن أن ينجح في العالم الحقيقي، اختبر الفريق طريقتهم على عينات غذائية حقيقية. فقد أخذوا الكرفس والتفاح والعنب وأضافوا كميات صغيرة معروفة من المبيد إليها. وباستخدام مادتهم الجديدة، تمكنوا من اكتشاف السم المضاف بدقة عالية، حيث استعادوا تقريبًا كل كمية المبيد التي وضعوها. ويشير هذا النجاح في عينات الطعام الحقيقية إلى أن الطريقة جاهزة للانتقال من المختبر إلى الميدان. ويخلص الباحثون إلى أن هذه المادة الجديدة تقدم أداة قوية لسلامة الغذاء. فمن خلال الجمع بين القدرة على تفكيك السم والقدرة على اكتشافه من خلال اللون أو الكهرباء، توفر مادة CeO2@ZIF-90 طريقة سريعة ورخيصة وموثوقة لمراقبة الأطعمة بحثًا عن البقايا الخطيرة، مما قد يساعد في حماية المستهلكين وضمان أن يكون الطعام على طاولاتنا آمنًا للأكل.