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

In der weltweiten Bemühung um die Lebensmittelsicherheit stellt eine beständige Herausforderung die unsichtbaren Spuren chemischer Pestizide dar, die an Obst und Gemüse haften bleiben können. Unter diesen gehört eine spezifische Gruppe, die als Organophosphor-Pestizide bekannt ist, weit verbreitet zum Schutz von Nutzpflanzen vor Insekten, doch ihre Anwesenheit in Lebensmitteln birgt ernsthafte Gesundheitsrisiken für den Menschen, einschließlich potenzieller Schäden am Nervensystem. Da diese Chemikalien so gefährlich sind, haben internationale Gesundheitsorganisationen strenge Grenzwerte festgelegt, wie viel von ihnen in der Lebensmittelversorgung verbleiben darf. Die Überprüfung dieser winzigen Mengen ist jedoch schwierig. Die in Laboren verwendeten Standardmethoden erfordern riesige, teure Maschinen und hochqualifizierte Experten, was sie für schnelle Kontrollen im Feld zu langsam und kostspielig macht. Wissenschaftler suchen schon lange nach einem einfacheren Weg, diese Gifte nachzuweisen, und lassen sich dabei oft von der Natur inspirieren. Im menschlichen Körper wirken natürliche Enzyme als biologische Maschinen, die diese schädlichen Chemikalien abbauen können, aber die Gewinnung dieser natürlichen Enzyme ist schwierig, teuer, und sie verlieren oft ihre Kraft, wenn sich die Bedingungen ändern. Dies hat dazu geführt, dass Forscher die Erstellung künstlicher Versionen, genannt Nanozyme, erforschen, bei denen es sich um winzige, vom Menschen gemachte Strukturen handelt, die darauf ausgelegt sind, die Arbeit natürlicher Enzyme nachzuahmen, jedoch mit größerer Stärke und Stabilität.

Ein Team von Forschern der Zhengzhou University of Light Industry hat nun eine neue Art dieser künstlichen Enzyme entwickelt, die mit überraschender Geschwindigkeit und Präzision arbeitet. Sie erschufen ein Material, das aus zwei unterschiedlichen Teilen besteht, die zusammenwirken: einem Kern aus Ceroxid, einer Art Metalloxid, der in eine Schale aus einer porösen, käfigartigen Struktur namens metall-organisches Gerüst gehüllt ist. Die Forscher nannten dieses neue Material CeO2@ZIF-90. Ihr Ziel war es, eine Maschine zu bauen, die das Pestizid nicht nur abbauen, sondern auch seine Anwesenheit auf eine Weise signalisieren kann, die leicht zu sehen oder zu messen ist. Wenn dieses neue Material auf ein spezifisches Pestizid namens Methylparathion trifft, wirkt es wie eine molekulare Schere, die die Chemikalie auseinander schneidet. Diese Schneideaktion verwandelt das unsichtbare Pestizid in eine andere Substanz namens Para-Nitrophenol. Diese neue Substanz ist besonders, da sie eine leuchtend gelbe Farbe annimmt, was die unsichtbare Bedrohung für das bloße Auge sichtbar macht.

Die Forscher testeten, wie gut dieses neue Material funktionierte, indem sie es in einer Laborumgebung mit dem Pestizid mischten. Sie fanden heraus, dass das Material äußerst effektiv beim Abbau der Chemikalie war und eine starke gelbe Farbe erzeugte, die mit einem einfachen Lichtsensor gemessen werden konnte. Je mehr Pestizid in der Probe vorhanden war, desto intensiver wurde die gelbe Farbe, was es dem Team ermöglichte, genau zu berechnen, wie viel Gift vorhanden war. Sie entdeckten, dass diese Methode das Pestizid in sehr kleinen Mengen nachweisen konnte, die von einem winzigen Bruchteil eines Millimols bis zu einer etwas größeren Konzentration reichten, mit einer klaren Nachweisgrenze, die niedrig genug ist, um für die Lebensmittelsicherheit nützlich zu sein. Um zu beweisen, dass das Material nicht nur ein Einzelfall war, testete das Team es auch mit einer elektrischen Methode. Da die durch die Reaktion entstehende gelbe Substanz einen elektrischen Strom leiten kann, befestigten sie das Material an einer Elektrode und maßen das elektrische Signal. Diese zweite Methode war sogar noch empfindlicher und war in der Lage, selbst kleinste Spuren des Pestizids aufzuspüren, was bestätigte, dass das Material auf zwei verschiedene Arten gleichzeitig gut funktioniert.

Einer der wichtigsten Tests für jeden neuen Sensor ist, ob er durch andere Dinge verwirrt wird. In einer Schüssel Obstsaft oder einer Bodenprobe gibt es viele verschiedene Chemikalien, die einen Detektor täuschen könnten. Die Forscher testeten ihr neues Material gegen eine lange Liste gängiger Substanzen, darunter Zucker, Salze und andere Arten von Pestiziden. Die Ergebnisse zeigten, dass das Material bemerkenswert wählerisch war. Es reagierte stark nur auf das spezifische Pestizid, das es finden sollte, Methylparathion, und ignorierte die anderen Chemikalien weitgehend. Dieses hohe Maß an Selektivität bedeutet, dass der Sensor unwahrscheinlich einen Fehlalarm auslöst, wenn er an echten Lebensmitteln verwendet wird. Darüber hinaus erwies sich das Material als robust und zuverlässig. Es konnte wiederholt verwendet werden, ohne seine Fähigkeit zu verlieren, zu arbeiten, und es blieb selbst nach der Lagerung von fast einem Monat wirksam, was darauf hindeutet, dass es stabil genug für den praktischen Einsatz außerhalb eines kontrollierten Labors ist.

Um zu sehen, ob diese Entdeckung in der realen Welt funktionieren könnte, testete das Team ihre Methode an tatsächlichen Lebensmittelproben. Sie nahmen Sellerie, Äpfel und Weintrauben und fügten diesen kleine, bekannte Mengen des Pestizids hinzu. Mit ihrem neuen Material waren sie in der Lage, das hinzugefügte Gift mit hoher Genauigkeit nachzuweisen, wobei sie nahezu das gesamte Pestizid zurückgewannen, das sie hineingegeben hatten. Dieser Erfolg in echten Lebensmittelproben deutet darauf hin, dass die Methode bereit ist, über das Labor hinaus in das Feld zu gehen. Die Forscher kommen zu dem Schluss, dass dieses neue Material ein leistungsstarkes Werkzeug für die Lebensmittelsicherheit bietet. Durch die Kombination der Fähigkeit, das Gift abzubauen, mit der Fähigkeit, es durch Farbe oder Elektrizität nachzuweisen, bietet das CeO2@ZIF-90-Material eine schnelle, günstige und zuverlässige Möglichkeit, Lebensmittel auf gefährliche Rückstände zu überwachen, was potenziell dazu beitragen kann, Verbraucher zu schützen und sicherzustellen, dass die Lebensmittel auf unseren Tischen sicher zu essen sind.