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

Nella lotta globale per la sicurezza alimentare, una sfida persistente riguarda le tracce invisibili di pesticidi chimici che possono persistere sulla frutta e sulla verdura. Tra questi, un gruppo specifico noto come pesticidi organofosforati viene ampiamente utilizzato per proteggere i raccolti dagli insetti, ma la loro presenza nel cibo pone seri rischi per la salute umana, inclusi potenziali danni al sistema nervoso. Poiché questi prodotti chimici sono così pericolosi, le organizzazioni sanitarie internazionali hanno stabilito limiti rigorosi su quanto possa rimanere nella catena alimentare. Tuttavia, controllare queste minuscole quantità è difficile. I metodi standard utilizzati nei laboratori richiedono macchinari enormi ed costosi e personale altamente qualificato, rendendoli troppo lenti e costosi per controlli rapidi sul campo. Gli scienziati cercano da tempo un modo più semplice per rilevare questi veleni, guardando spesso alla natura per ispirazione. Nel corpo umano, gli enzimi naturali agiscono come macchine biologiche in grado di scomporre questi prodotti chimici nocivi, ma raccogliere questi enzimi naturali è difficile, costoso e spesso perdono la loro forza quando le condizioni cambiano. Ciò ha portato i ricercatori a esplorare la creazione di versioni artificiali, chiamate nanozimi, che sono piccole strutture create dall'uomo progettate per imitare il lavoro degli enzimi naturali ma con maggiore forza e stabilità.

Un team di ricercatori della Zhengzhou University of Light Industry ha progettato un nuovo tipo di questi enzimi artificiali che funziona con una velocità e una precisione sorprendenti. Hanno creato un materiale composto da due parti distinte che lavorano insieme: un nucleo di ossido di cerio, un tipo di ossido metallico, avvolto in un guscio di una struttura porosa a forma di gabbia chiamata struttura organica metallica (metal-organic framework). I ricercatori hanno chiamato questo nuovo materiale CeO2@ZIF-90. Il loro obiettivo era costruire una macchina che potesse non solo scomporre il pesticida, ma anche segnalarne la presenza in un modo che sia facile da vedere o misurare. Quando questo nuovo materiale incontra un pesticida specifico chiamato metil paratione, agisce come una coppia di forbici molecolari, tagliando la sostanza chimica. Questa azione di taglio trasforma l'invisibile pesticida in una sostanza diversa chiamata para-nitrofenolo. Questa nuova sostanza è speciale perché diventa di un colore giallo brillante, rendendo l'invisibile minaccia visibile a occhio nudo.

I ricercatori hanno testato l'efficacia di questo nuovo materiale mescolandolo con il pesticida in un ambiente di laboratorio. Hanno scoperto che il materiale era altamente efficace nel decomporre la sostanza chimica, producendo un forte colore giallo che poteva essere misurato con un semplice sensore di luce. Più pesticida era presente nel campione, più intenso diventava il colore giallo, permettendo al team di calcolare esattamente quanto veleno fosse presente. Hanno scoperto che questo metodo poteva rilevare il pesticida in quantità molto piccole, che vanno da una minuscola frazione di un millimole fino a una concentrazione leggermente maggiore, con un limite di rilevamento chiaro e sufficientemente basso da essere utile per la sicurezza alimentare. Per dimostrare che il materiale non fosse solo un fenomeno da una sola prova, il team lo ha testato anche utilizzando un metodo elettrico. Poiché la sostanza gialla prodotta dalla reazione può trasportare una corrente elettrica, hanno collegato il materiale a un elettrodo e misurato il segnale elettrico. Questo secondo metodo era ancora più sensibile, capace di individuare tracce ancora più piccole di pesticida, confermando che il materiale funziona bene in due modi diversi contemporaneamente.

Uno dei test più importanti per qualsiasi nuovo sensore è se si lasci confondere da altre cose. In una ciotola di succo di frutta o in un campione di terreno, ci sono molti prodotti chimici diversi che potrebbero trarre in inganno un rilevatore. I ricercatori hanno testato il loro nuovo materiale contro una lunga lista di sostanze comuni, inclusi zuccheri, sali e altri tipi di pesticidi. I risultati hanno mostrato che il materiale era straordinariamente selettivo. Reagiva fortemente solo al pesticida specifico che era stato progettato per trovare, il metil paratione, e ignorava ampiamente gli altri prodotti chimici. Questo alto livello di selettività significa che il sensore è improbabile che dia un falso allarme quando viene utilizzato su cibo reale. Inoltre, il materiale si è dimostrato robusto e affidabile. Poteva essere utilizzato ripetutamente senza perdere la sua capacità di funzionare, e rimaneva efficace anche dopo essere stato conservato per quasi un mese, suggerendo che è abbastanza stabile per un uso pratico al di fuori di un laboratorio controllato.

Per vedere se questa scoperta potesse funzionare nel mondo reale, il team ha testato il suo metodo su campioni di cibo reali. Hanno preso sedano, mele e uva e hanno aggiunto piccole quantità note di pesticida ad essi. Utilizzando il loro nuovo materiale, sono stati in grado di rilevare il veleno aggiunto con alta precisiono, recuperando quasi tutto il pesticida che avevano inserito. Questo successo in campioni di cibo reali suggerisce che il metodo è pronto per passare dal laboratorio al campo. I ricercatori concludono che questo nuovo materiale offre uno strumento potente per la sicurezza alimentare. Combinando la capacità di scomporre il veleno con la capacità di rilevarlo attraverso il colore o l'elettricità, il materiale CeO2@ZIF-90 fornisce un modo veloce, economico e affidabile per monitorare il cibo per residui pericolosi, aiutando potenzialmente a proteggere i consumatori e garantire che il cibo sulle nostre tavole sia sicuro da mangiare.