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

食品の安全性を守るための世界的な取り組みにおいて、果物や野菜に残留する目に見えない化学農薬の痕跡は、根強い課題となっています。これらの中でも、有機リン系農薬として知られる特定のグループは、作物を昆虫から守るために広く使用されていますが、その存在は人間に対して神経系への損傷の可能性を含む深刻な健康リスクをもたらします。これらの化学物質は非常に危険であるため、国際的な保健機関は、食品供給の中にどれだけの量が残存できるかについて厳格な制限を設けています。しかし、これらの微量な量をチェックすることは困難です。研究所で使用される標準的な手法は、巨大で高価な機械と高度に訓練された専門家を必要とするため、現場での迅速なチェックには時間がかかりすぎ、コストもかかりすぎてしまいます。科学者たちは、これらの毒物を検出するためのより簡潔な方法を長年探し求めており、しばしば自然にインスピレーションを求めてきました。人体内では、天然の酵素が生物学的な機械として機能し、これらの有害な化学物質を分解することができますが、これらの天然酵素を採取することは難しく、高価であり、条件が変化するとその力を失ってしまうことがよくあります。このことが、天然の酵素の働きを模倣するように設計された、より強力で安定性の高い、ナノザイムと呼ばれる人工的なバージョンの作成を研究者たちに探索させることにつながりました。

鄭州軽工業学院の研究チームは、驚くべき速さと精度で機能する、これら人工酵素の新しいタイプを設計しました。彼らは、セリウム酸化物（一種の金属酸化物）のコアを、金属有機構造体と呼ばれる多孔質のケージ状の構造のシェルで包み込んだ、2つの異なる部分が連携して機能する材料を作り上げました。研究者たちは、この新材料をCeO2@ZFF-90と名付けました。彼らの目標は、農薬を分解するだけでなく、その存在を容易に目視または測定できる方法で信号を発する機械を構築することでした。この新材料が、メチルパラチオンと呼ばれる特定の農薬に遭遇すると、分子のハサミのように機能し、その化学物質を切り離します。この切断作用により、目に見えない農薬が、パラニトロフェノールと呼ばれる別の物質へと変化します。この新しい物質は特別で、鮮やかな黄色に変化するため、肉眼で目に見える脅威となります。

研究者たちは、実験室の設定でこの新材料がどのように機能するかを、農薬と混合することでテストしました。彼らは、この材料が化学物質を分解する上で非常に効果的であり、単純な光センサーで測定可能な強い黄色を生み出すことを見出しました。サンプル中に農薬が存在すればするほど、黄色の色はより濃くなり、チームはそこにどれだけの毒物が存在するかを正確に計算することができました。彼らは、この方法が極めて微量な範囲（数ミリモールのわずかな断片から、やや大きな濃度まで）の農薬を検出できることを発見し、食品安全に有用なレベルまで十分に低い検出限界を備えていることを明らかにしました。この材料が単なる「一発屋」ではないことを証明するために、チームは電気的な手法を用いてテストも行いました。反応によって生成される黄色い物質は電流を運ぶことができるため、彼らは材料を電極に取り付け、電気信号を測定しました。この第二の手法はさらに感度が高く、さらに小さな痕跡の農酪さえも捉えることができ、この材料が2つの異なる方法で同時にうまく機能することを裏付けました。

新しいセンサーにとって最も重要なテストの一つは、他のものによって混乱させられないかどうかです。フルーツジュースのボウルや土壌のサンプルの中には、検出器を欺く可能性のある様々な化学物質が存在します。研究者たちは、砂糖、塩、および他の種類の農薬を含む長いリストを用いて、この新材料をテストしました。その結果、材料は驚くほど「選り好み」をすることが示されました。それは、設計された特定の農薬であるメチルパラチオンに対してのみ強く反応し、他の化学物質はほぼ無視しました。この高い選択性は、センサーが実際の食品で使用された際に誤報を出す可能性が低いことを意味します。さらに、この材料は頑丈で信頼できることが証明されました。能力を失うことなく繰り返し使用することができ、約1ヶ月間保管した後でも効果を維持していたことから、制御されたラボの外での実用的な使用に適した安定性を持っていることが示唆されました。

この発見が現実世界で機能するかどうかを確認するために、チームは実際の食品サンプルを用いてこの方法をテストしました。彼らはセロリ、リンゴ、ブドウを取り出し、そこに既知の少量の農薬を加えました。彼らはこの新材料を用いて、加えられた毒を高い精度で検出することができ、投入した農薬のほぼすべてを回収することができました。実際の食品サンプルにおけるこの成功は、この方法が研究室を越えて現場へと移行する準備ができていることを示唆しています。研究者たちは、この新材料が食品安全のための強力なツールを提供すると結論付けています。毒を分解する能力と、色または電気を通じてそれを検出する能力を組み合わせることで、CeO2@ZIF-90材料は、危険な残留物を監視するための、速く、安価で、信頼できる方法を提供し、消費者を保護し、私たちの食卓に並ぶ食品が安全であることを保証する助けとなる可能性があります。