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

No esforço global para manter a segurança alimentar, um desafio persistente envolve os vestígios invisíveis de pesticidas químicos que podem permanecer em frutas e vegetais. Entre estes, um grupo específico conhecido como pesticidas organofosforados é amplamente utilizado para proteger as colheitas de insetos, mas a sua presença nos alimentos representa sérios riscos para a saúde humana, incluindo potenciais danos ao sistema nervoso. Como estes produtos químicos são tão perigosos, organizações de saúde internacionais estabeleceram limites rigorosos sobre quanto pode permanecer no fornecimento de alimentos. No entanto, verificar estas quantidades minúsculas é difícil. Os métodos padrão utilizados em laboratórios requerem máquinas enormes e caras e especialistas altamente treinados, tornando-os demasiado lentos e dispendiosos para verificações rápidas no campo. Os cientistas procuram há muito tempo uma forma mais simples de detetar estes venenos, procurando frequentemente inspiração na natureza. No corpo humano, enzimas naturais atuam como máquinas biológicas que podem decompor estes produtos químicos prejudiciais, mas colher estas enzimas naturais é difícil, caro e elas frequentemente perdem o seu poder quando as condições mudam. Isto levou os investigadores a explorar a criação de versões artificiais, chamadas nanozimas, que são estruturas minúsculas feitas pelo homem concebidas para imitar o trabalho de enzimas naturais, mas com maior força e estabilidade.

Uma equipa de investigadores da Universidade de Indústria Leve de Zhengzhou desenhou agora um novo tipo destas enzimas artificiais que funciona com uma velocidade e precisão surpreendentes. Eles criaram um material composto por duas partes distintas a trabalhar em conjunto: um núcleo de óxido de cério, um tipo de óxido metálico, envolto numa camada de uma estrutura porosa, semelhante a uma gaiola, chamada estrutura metal-orgânica. Os investigadores nomearam este novo material como CeO2@ZIF-90. O seu objetivo era construir uma máquina que pudesse não só decompor o pesticida, mas também sinalizar a sua presença de uma forma que seja fácil de ver ou medir. Quando este novo material encontra um pesticida específico chamado metil paration, ele atua como uma tesoura molecular, cortando o produto químico. Esta ação de corte transforma o pesticida invisível numa substância diferente chamada para-nitrofenol. Esta nova substância é especial porque se torna de uma cor amarela brilhante, tornando o perigo invisível visível a olho nu.

Os investigadores testaram o quão bem este novo material funcionava misturando-o com o pesticida num ambiente de laboratório. Descobriram que o material era altamente eficaz na decomposição do produto químico, produzindo uma cor amarela forte que podia ser medida com um simples sensor de luz. Quanto mais pesticida presente na amostra, mais intensa se tornava a cor amarela, permitindo à equipa calcular exatamente quanto veneno estava lá. Descobriram que este método podia detetar o pesticida em quantidades muito pequenas, variando desde uma fração minúscula de um milimol até uma concentração ligeiramente maior, com um limite de deteção claro que é baixo o suficiente para ser útil para a segurança alimentar. Para provar que o material não era apenas um especialista de um único truque, a equipa também o testou utilizando um método elétrico. Como a substância amarela produzida pela reação pode transportar uma corrente elétrica, eles fixaram o material a um elétrodo e mediram o sinal elétrico. Este segundo método foi ainda mais sensível, capaz de detetar mesmo vestígios ainda menores do pesticida, confirmando que o material funciona bem de duas formas diferentes ao mesmo tempo.

Um dos testes mais importantes para qualquer novo sensor é se ele se confunde com outras coisas. Numa taça de sumo de fruta ou numa amostra de solo, existem muitos produtos químicos diferentes que poderiam enganar um detetor. Os investigadores testaram o seu novo material contra uma longa lista de substâncias comuns, incluindo açúcares, sais e outros tipos de pesticidas. Os resultados mostraram que o material era notavelmente seletivo. Reagiu fortemente apenas ao pesticida específico para o qual foi desenhado, o metil paration, e ignorou largamente os outros produtos químicos. Este alto nível de seletividade significa que o sensor é improvável que dê um alarme falso quando utilizado em alimentos reais. Além disso, o material provou ser robusto e fiável. Poderia ser usado repetidamente sem perder a sua capacidade de funcionar, e permaneceu eficaz mesmo após ser armazenado por quase um mês, sugerindo que é estável o suficiente para uso prático fora de um laboratório controlado.

Para ver se esta descoberta poderia funcionar no mundo real, a equipa testou o seu método em amostras de alimentos reais. Eles pegaram em aipo, maçãs e uvas e adicionaram pequenas quantidades conhecidas do pesticida a estes. Utilizando o seu novo material, foram capazes de detetar o veneno adicionado com alta precisão, recuperando quase todo o pesticida que tinham colocado. Este sucesso em amostras de alimentos reais sugere que o método está pronto para passar do laboratório para o campo. Os investigadores concluem que este novo material oferece uma ferramenta poderosa para a segurança alimentar. Ao combinar a capacidade de decompor o veneno com a capacidade de o detetar através da cor ou eletricidade, o material CeO2@ZIF-90 fornece uma forma rápida, barata e fiável de monitorizar os alimentos para resíduos perigosos, potencialmente ajudando a proteger os consumidores e a garantir que a comida nas nossas mesas é segura para comer.