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

Dans l'effort mondial pour garantir la sécurité alimentaire, un défi persistant concerne les traces invisibles de pesticides chimiques qui peuvent subsister sur les fruits et les légumes. Parmi ceux-ci, un groupe spécifique connu sous le nom de pesticides organophosphorés est largement utilisé pour protéger les cultures contre les insectes, mais leur présence dans la nourriture pose de graves risques pour la santé humaine, notamment des dommages potentiels au système nerveux. Parce que ces produits chimiques sont si dangereux, les organisations internationales de santé ont fixé des limites strictes sur la quantité qui peut subsister dans la chaîne alimentaire. Cependant, la recherche de ces quantités infimes est difficile. Les méthodes standards utilisées en laboratoire nécessitent des machines massives et coûteuses ainsi que des experts hautement qualifiés, ce qui les rend trop lentes et trop onéreuses pour des contrôles rapides sur le terrain. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un moyen plus simple de détecter ces poisons, en s'inspirant souvent de la nature. Dans le corps humain, les enzymes naturelles agissent comme des machines biologiques capables de décomposer ces produits chimiques nocifs, mais la récolte de ces enzymes naturelles est difficile, coûteuse, et elles perdent souvent leur puissance lorsque les conditions changent. Cela a conduit les chercheurs à explorer la création de versions artificielles, appelées nanozymes, qui sont de minuscules structures fabriquées par l'homme conçues pour imiter le travail des enzymes naturelles mais avec une force et une stabilité accrues.

Une équipe de chercheurs de l'Université de l'Industrie Légère de Zhengzhou a maintenant conçu un nouveau type de ces enzymes artificielles qui fonctionne avec une rapidité et une précision surprenantes. Ils ont créé un matériau composé de deux parties distinctes travaillant ensemble : un cœur d'oxyde de cérium, un type d'oxyde métallique, enveloppé dans une coque dotée d'une structure poreuse en forme de cage appelée structure organométallique. Les chercheurs ont nommé ce nouveau matériau CeO2@ZIF-90. Leur objectif était de construire une machine qui puisse non seulement décomposer le pesticide, mais aussi signaler sa présence d'une manière facile à voir ou à mesurer. Lorsque ce nouveau matériau rencontre un pesticide spécifique appelé méthyl parathion, il agit comme une paire de ciseaux moléculaires, découpant le produit chimique. Cette action de découpe transforme l'invisible pesticide en une substance différente appelée para-nitrophénol. Cette nouvelle substance est spéciale car elle prend une couleur jaune vif, rendant la menace invisible visible à l'œil nu.

Les chercheurs ont testé l'efficacité de ce nouveau matériau en le mélangeant au pesticide dans un cadre de laboratoire. Ils ont constaté que le matériau était hautement efficace pour décomposer le produit chimique, produisant une forte couleur jaune qui pouvait être mesurée avec un simple capteur de lumière. Plus le pesticide est présent dans l'échantillon, plus l'intensité de la couleur jaune devient forte, permettant à l'équipe de calculer exactement la quantité de poison présente. Ils ont découvert que cette méthode pouvait détecter le pesticide en de très petites quantités, allant d'une infime fraction de millimole jusqu'à une concentration légèrement plus élevée, avec une limite de détection suffisamment basse pour être utile à la sécurité alimentaire. Pour prouer que le matériau n'était pas qu'un outil à usage unique, l'équipe l'a également testé en utilisant une méthode électrique. Parce que la substance jaune produite par la réaction peut transporter un courant électrique, ils ont attaché le matériau à une électrode et mesuré le signal électrique. Cette seconde méthode était encore plus sensible, capable de repérer des traces même plus petites du pesticide, confirmant que le matériau fonctionne bien de deux manières différentes à la fois.

L'un des tests les plus importants pour tout nouveau capteur est de savoir s'il peut être confondu avec d'autres éléments. Dans un bol de jus de fruit ou un échantillon de sol, il existe de nombreux produits chimiques différents qui pourraient tromper un détecteur. Les chercheurs ont testé leur nouveau matériau contre une longue liste de substances communes, incluant des sucres, des sels et d'autres types de pesticides. Les résultats ont montré que le matériau était remarquablement sélectif. Il réagissait fortement uniquement au pesticide spécifique qu'il était conçu pour trouver, le méthyl parathion, et ignorait largement les autres produits chimiques. Ce haut niveau de sélectivité signifie que le capteur est peu susceptible de donner une fausse alerte lors d'une utilisation sur de la vraie nourriture. De plus, le matériau s'est révélé robuste et fiable. Il pouvait être utilisé de manière répétée sans perdre sa capacité à fonctionner, et il est resté efficace même après avoir été stocké pendant près d'un mois, suggérant qu'il est assez stable pour une utilisation pratique en dehors d'un laboratoire contrôlé.

Pour voir si cette découverte pourrait fonctionner dans le monde réel, l'équipe a testé sa méthode sur de véritables échantillons alimentaires. Ils ont pris du céleri, des pommes et des raisins, et y ont ajouté de petites quantités connues de pesticide. En utilisant leur nouveau matériau, ils ont pu détecter le poison ajouté avec une grande précision, récupérant presque tout le pesticide qu'ils avaient introduit. Ce succès sur des échantillons alimentaires réels suggère que la méthode est prête à passer du laboratoire au terrain. Les chercheurs concluent que ce nouveau matériau offre un outil puissant pour la sécurité alimentaire. En combinant la capacité de décomposer le poison et la capacité de le détecter par la couleur ou l'électricité, le matériau CeO2@ZIF-90 fournit un moyen rapide, peu coûteux et fiable de surveiller la nourriture pour les résidus dangereux, aidant potentiellement à protéger les consommateurs et à garantir que la nourriture sur nos tables est sûre à consommer.