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

En el esfuerzo global por mantener la seguridad alimentaria, un desafío persistente involucra los rastros invisibles de pesticas químicos que pueden permanecer en las frutas y verduras. Entre estos, un grupo específico conocido como pesticidas organofosforados se utiliza ampliamente para proteger los cultivos de los insectos, pero su presencia en los alimentos plantea serios riesgos para la salud humana, incluyendo el daño potencial al sistema nervioso. Debido a que estos químicos son tan peligrosos, las organizaciones internacionales de salud han establecido límites estrictos sobre cuánto puede permanecer en el suministro de alimentos. Sin embargo, la detección de estas cantidades diminutas es difícil. Los métodos estándar utilizados en los laboratorios requieren máquinas masivas y costosas y expertos altamente capacitados, lo que los hace demasiado lentos y costosos para controles rápidos en el campo. Los científicos han buscado durante mucho tiempo una forma más sencilla de detectar estos venenos, buscando a menudo inspiración en la naturaleza. En el cuerpo humano, las enzimas naturales actúan como máquinas biológicas que pueden descomponer estos químicos dañinos, pero la recolección de estas enzimas naturales es difícil, costosa, y a menudo pierden su potencia cuando las condiciones cambian. Esto ha llevado a los investigadores a explorar la creación de versiones artificiales, llamadas nanoenzimas, que son diminutas estructuras hechas por el hombre diseñadas para imitar el trabajo de las enzimas naturales pero con mayor fuerza y estabilidad.

Un equipo de investigadores de la Universidad de la Industria de la Luz de Zhengzhou ha diseñado ahora un nuevo tipo de estas enzimas artificiales que funciona con una velocidad y precisión sorprendentes. Crearon un material compuesto por dos partes distintas trabajando juntas: un núcleo de óxido de cerio, un tipo de óxido metálico, envuelto en una capa de una estructura porosa similar a una jaula llamada estructura metal-orgánica. Los investigadores llamaron a este nuevo material CeO2@ZIF-90. Su objetivo era construir una máquina que no solo pudiera descomponer el pesticida, sino también señalar su presencia de una manera que sea fácil de ver o medir. Cuando este nuevo material encuentra un pesticida específico llamado metil paratión, actúa como un par de tijeras moleculares, cortando la sustancia química. Esta acción de corte transforma el pesticida invisible en una sustancia diferente llamada para-nitrofenol. Esta nueva sustancia es especial porque se torna de un color amarillo brillante, haciendo que la amenaza invisible sea visible a simple vista.

Los investigadores probaron qué tan bien funcionaba este nuevo material mezclándolo con el pesticida en un entorno de laboratorio. Descubrieron que el material era altamente efectivo para descomponer el químico, produciendo un fuerte color amarillo que podía medirse con un simple sensor de luz. Cuanto más pesticida estaba presente en la muestra, más intenso se volvía el color amarillo, permitiendo al equipo calcular exactamente cuánto veneno había allí. Descubrieron que este método podía detectar el pesticida en cantidades muy pequeñas, que van desde una diminuta fracción de un milimol hasta una concentración ligeramente mayor, con un límite de detección claro que es lo suficientemente bajo como para ser útil para la seguridad alimentaria. Para demostrar que el material no era solo un truco de un solo efecto, el equipo también lo probó utilizando un método eléctrico. Debido a que la sustancia amarilla producida por la reacción puede transportar una corriente eléctrica, conectaron el material a un electrodo y midieron la señal eléctrica. Este segundo método fue incluso más sensible, capaz de detectar incluso rastros más pequeños del pesticida, confirmando que el material funciona bien de dos maneras diferentes a la vez.

Una de las pruebas más importantes para cualquier sensor nuevo es si se confunde con otras cosas. En un tazón de jugo de frutas o en una muestra de suelo, hay muchos químicos diferentes que podrían engañar a un detector. Los investigadores probaron su nuevo material contra una larga lista de sustancias comunes, incluyendo azúcares, sales y otros tipos de pesticidas. Los resultados mostraron que el material era notablemente selectivo. Reaccionó fuertemente solo al pesticida específico que fue diseñado para encontrar, el metil paratión, e ignoró en gran medida los otros químicos. Este alto nivel de selectividad significa que es poco probable que el sensor dé una falsa alarma cuando se use en alimentos reales. Además, el material demostró ser resistente y confiable. Pudo utilizarse repetidamente sin perder su capacidad de funcionar, y se mantuvo efectivo incluso después de haber sido almacenado durante casi un mes, lo que sugiere que es lo suficientemente estable para un uso práctico fuera de un laboratorio controlado.

Para ver si este descubrimiento podría funcionar en el mundo real, el equipo probó su método en muestras de alimentos reales. Tomaron muestras de apio, manzanas y uvas, y añadieron pequeñas cantidades conocidas del pesticida a estas. Utilizando su nuevo material, fueron capaces de detectar el veneno añadido con alta precisión, recuperando casi todo el pesticida que habían introducido. Este éxito en muestras de alimentos reales sugiere que el método está listo para pasar más allá del laboratorio y hacia el campo. Los investigadores concluyen que este nuevo material ofrece una herramienta poderosa para la seguridad alimentaria. Al combinar la capacidad de descomponer el venano con la capacidad de detectarlo a través del color o la electricidad, el material CeO2@ZIF-90 proporciona una forma rápida, barata y confiable de monitorear los alimentos en busca de residuos peligrosos, ayudando potencialmente a proteger a los consumidores y asegurar que la comida en nuestras mesas sea segura para comer.