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

식품 안전을 지키기 위한 전 세계적인 노력 속에서, 과일과 채소에 남아 있을 수 있는 화학 농약의 보이지 않는 흔적은 지속적인 과제로 남아 있습니다. 그중에서도 유기인계 농약이라 불리는 특정 그룹은 해충으로부터 작물을 보호하기 위해 널리 사용되지만, 식품 내에 존재할 경우 신경계 손상을 포함하여 인간의 건강에 심각한 위험을 초고합니다. 이러한 화학 물질은 매우 위험하기 때문에, 국제 보건 기구들은 식품 공급원에 남을 수 있는 양에 대해 엄격한 제한을 설정해 왔습니다. 그러나 이 미세한 양을 확인하는 것은 어렵습니다. 실험실에서 사용되는 표준 방식들은 거대하고 비싼 기계와 고도로 훈련된 전문가를 필요로 하며, 이는 현장에서의 신속한 점검을 하기에는 너무 느리고 비용이 많이 듭니다. 과학자들은 오랫동안 이 독성 물질을 탐지할 더 단순한 방법을 찾아왔으며, 종종 자연에서 영감을 얻기도 했습니다. 인체 내에서 천연 효소는 이러한 유해한 화학 물질을 분해할 수 있는 생물학적 기계 역할을 하지만, 이러한 천연 효소를 채취하는 것은 어렵고 비용이 많이 들 뿐만 아니라 환경 변화에 따라 그 능력을 잃는 경우가 많습니다. 이는 연구자들이 천연 효소의 기능을 모방하면서도 더 강한 힘과 안정성을 갖도록 설계된 작은 인공 구조물인 '나노자임(nanozymes)'이라 불리는 인공 버전의 제작을 탐구하게 만들었습니다.

정주 공업대학교(Zhengzhou University of Light Industry)의 연구팀은 이제 놀라운 속도와 정밀도로 작동하는 새로운 유형의 이러한 인공 효소를 설계했습니다. 그들은 두 개의 서로 다른 부분이 함께 작동하는 새로운 형태의 재료를 만들었습니다. 그것은 세륨 산화물(금속 산화물의 일종)의 핵을 케이지 모양의 다공성 구조인 금속-유기 골격체(metal-organic framework) 껍질로 감싼 형태입니다. 연구진은 이 새로운 재료를 CeO2@ZIF-90이라고 명명했습니다. 그들의 목표는 농약을 분해할 수 있을 뿐만 아니라, 눈으로 쉽게 확인하거나 측정할 수 있는 방식으로 그 존재를 알릴 수 있는 기계를 만드는 것이었습니다. 이 새로운 재료가 메틸 파라티온(methyl parathion)이라는 특정 농약을 만나면, 마치 분자 가위처럼 작동하여 그 화학 물질을 절단합니다. 이 절단 작 피는 보이지 않는 농약을 파라 니트로페놀(para-nitrophenol)이라는 다른 물질로 변형시킵니다. 이 새로운 물질은 특별하게도 밝은 노란색으로 변하여, 보이지 않는 위협을 육안으로 확인할 수 있게 해줍니다.

연구진은 실험실 환경에서 이 새로운 재료를 농약과 혼합하여 얼마나 잘 작동하는지 테스트했습니다. 그들은 이 재료가 화학 물질을 분해하는 데 매우 효과적이며, 단순한 빛 센서로 측정할 수 있는 강한 노란색을 생성한다는 것을 발견했습니다. 샘ల 내에 농약이 더 많이 존재할수록 노란색은 더 진해졌으며, 이를 통해 연구진은 독성이 정확히 얼마나 있는지 계산할 수 있었습니다. 그들은 이 방법이 아주 적은 양의 밀리몰 분율부터 약간 더 높은 농도에 이르기까지 매우 미세한 양의 농약을 탐지할 수 있음을 발견했으며, 식품 안전에 유용할 만큼 낮은 검출 한계를 가지고 있었습니다. 이 재료가 단 하나의 기능만을 가진 것이 아님을 증证明하기 위해, 연구진은 전기적 방법을 사용하여 또한 테스트했습니다. 반응을 통해 생성된 노란색 물질은 전류를 전달할 수 있기 때문에, 그들은 이 재료를 전극에 부착하고 전기 신호를 측정했습니다. 이 두 번째 방법은 훨씬 더 민감하여 훨씬 더 작은 흔적의 농약까지 포착할 수 있었으며, 이는 이 재료가 두 가지 다른 방식으로 동시에 잘 작동함을 확인시켜 주었습니다.

새로운 센서를 위한 가장 중요한 테스트 중 하나는 다른 물질에 의해 혼동되지 않는지 여부입니다. 과일 주스나 토양 샘 샘플 안에는 탐지기를 속일 수 있는 다양한 화학 물질이 존재합니다. 연구진은 이 새로운 재료를 설탕, 소금 및 다른 유형의 농약을 포함한 긴 목록의 일반적인 물질들과 대조하여 테스트했습니다. 결과는 이 재료가 매우 까다롭다는 것을 보여주었습니다. 그것은 설계된 특정 농약인 메틸 파라티온에만 강력하게 반응했고, 다른 화학 물질들은 대체로 무시했습니다. 이러한 높은 수준의 선택성은 이 센서가 실제 식품을 사용할 때 가짜 경보를 울릴 가능성이 낮음을 의미합니다. 더욱이, 이 재료는 견고하고 신뢰할 수 있는 것으로 증명되었습니다. 그것은 능력을 잃지 않고 반복적으로 사용될 수 있었으며, 거의 한 달 동안 보관한 후에도 효과적으로 유지되어, 통제된 실험실 밖에서도 실용적으로 사용할 수 있을 만큼 안정적임을 시사했습니다.

이 발견이 실제 세상에서 작동할 수 있는지 확인하기 위해, 연구팀은 실제 식품 샘플에 이 방법을 테스트했습니다. 그들은 셀러리, 사과, 포도를 가져와 여기에 알려진 적은 양의 농약을 첨가했습니다. 그들은 이 새로운 재료를 사용하여 첨가된 독성을 높은 정확도로 탐지할 수 있었으며, 투입한 농약의 거의 전량을 회수했습니다. 실제 식품 샘 샘에서의 이러한 성공은 이 방법이 실험실을 넘어 현장으로 나아갈 준비가 되었음을 시사합니다. 연구진은 이 새로운 재료가 식품 안전을 위한 강력한 도구를 제공한다고 결론지었습니다. 독소를 분해하는 능력과 색상 또는 전기를 통해 이를 탐지하는 능력을 결합함으로써, CeO2@ZIF-90 재료는 위험한 잔류물을 모니터링할 수 있는 빠르고 저렴하며 신뢰할 수 있는 방법을 제공하며, 잠재적으로 소비자들을 보호하고 우리 식탁 위의 음식이 안전하도록 보장하는 데 도움을 줄 수 있습니다.