Исследователи из Иллинойского университета в Урбана-Шампейн нашли способ, как сделать умные материалы для диагностики дешевыми и безопасными. Речь идет о наночастицах, которые работают как ферменты. Обычные ферменты в нашем организме помогают проводить химические реакции, а ученые давно научились создавать их искусственные заменители — нанозимов. Проблема в том, что большинство таких заменителей делают из неорганических веществ. Они эффективны, но токсичны, дороги в производстве и сложны в изготовлении. Из-за этого их нельзя использовать, например, в пищевой промышленности или сельском хозяйстве.

Команда ученых предложила другое решение. Они создали нанозимы на органической основе. Они нетоксичные, экологичные и при этом недорогие. В двух новых научных работах они рассказали о том, как улучшили свое изобретение и придумали способ использовать его прямо «в поле» — для быстрого анализа продуктов.

Первое поколение органических нанозимов было неплохим, но имело недостатки. Чтобы частицы держали форму, к ним приходилось добавлять специальные стабилизаторы — полимеры. Но даже с ними частицы получались слишком крупными. Дон Хун Ли, который руководил исследованием, объясняет: им нужно было уменьшить размер, чтобы частицы работали эффективнее.

Во второй версии ученые применили другую стратегию. Они взяли за основу аминокислоту L-аланин и полиэтиленгликоль — вещество, которое часто используют в медицине и косметике. А благодаря новой технологии сборки им удалось создать частицы размером меньше 100 нанометров. Такие крошечные «органайзеры» по своему строению и поведению очень похожи на настоящие ферменты.

Подробности опубликованы в издании Food Chemistry.

В первом эксперименте ученые проверили, как новые нанозимы справляются с поиском гистамина в овощах. Гистамин — это вещество, которое может вызывать аллергию, и важно знать его содержание в еде.

• Для анализа использовали шпинат и баклажаны — эти овощи часто накапливают гистамин.
• Вместо сложных лабораторных приборов применили колориметрический метод — попросту говоря, оценку по изменению цвета.
• Оказалось, что система работает не только в идеальных лабораторных условиях. Она пригодна для реального использования и позволяет делать анализ дешево и быстро.

Вдохновленные успехом, ученые пошли дальше. Во втором исследовании они доработали метод производства и создали портативный набор для анализа, который работает по тому же принципу — по изменению цвета. Это как тест на ковид, только для еды и химикатов.

Сначала с его помощью научились определять глифосат. Это популярный гербицид, которым обрабатывают поля от сорняков, и его остатки в продуктах волнуют многих покупателей. Затем адаптировали систему для поиска глюкозы — самого обычного сахара, важного показателя в биологии. В обоих случаях тест показал хорошую чувствительность и выдавал точный результат за несколько минут.

Мохаммед Камруззаман, еще один участник команды, объясняет, как это будет работать в быту. Итак, вы купили овощи на рынке и хотите проверить, нет ли в них пестицидов.

1. Нужно смешать кусочек продукта со специальным раствором, в котором уже есть органические нанозимы.
2. Затем нанести каплю этой смеси на маленькую бумажную полоску — микрофлюидный чип.
3. Если бумажка позеленеет, значит, фермент сработал, и целевое вещество в пробе есть.
4. Чем ярче цвет, тем выше концентрация.
5. Остается только сфотографировать полоску на телефон, а специальное приложение само переведет цвет в цифры и скажет точное количество миллиграммов.

Дон Хун Ли подводит итог: их работа доказывает, что органика может быть не хуже неорганики. Она так же мощно работает как фермент, но при этом разлагается без вреда для природы и стоит копейки. А значит, у таких нанозимов большое будущее не только в медицине, но и в агробизнесе, контроле качества еды и многих других сферах.

В этом исследовании виден огромный потенциал.

Для науки

Мы привыкли, что нанотехнологии — это что-то сложное, дорогое и часто токсичное. А тут показывают, что можно взять простую аминокислоту и получить материал с теми же свойствами, что и у сложных металлических частиц. Это открывает целую вселенную для биомиметики — науки о подражании природе. Теперь ученые смогут копать в сторону создания «умных» материалов из того, что буквально растет в поле.

Для реальной жизни

1. Еда без сюрпризов: Представь, что любой фермер или продавец на рынке может за копейки проверить партию клубники на нитраты или помидоры на пестициды прямо на прилавке. Это не просто удобно — это меняет культуру потребления. Мы перестанем верить этикеткам на слово и сможем проверять сами.
2. Контроль аллергенов: Гистамин — частая причина псевдоаллергий. Часто люди мучаются и не понимают, почему их «обсыпало». А причина может быть в несвежей рыбе или переспевших баклажанах. Дешевый тест-полоска дома решит эту загадку раз и навсегда.
3. Экология: Органические нанозимы биоразлагаемы. Мы не будем засорять природу тоннами отходов от использованных тестов, как это происходит сейчас с пластиковыми медицинскими устройствами.

Работа интересная и, безусловно, заслуживает внимания. Однако, если смотреть на нее критически, есть один существенный момент, который авторы обходят стороной. Они говорят об «органической» и „экологичной“ природе своих нанозимов, но забывают упомянуть стабильность.

В реальных условиях сельского хозяйства мы имеем дело не с чистыми лабораторными растворами, а с грязными экстрактами. Там полно кислот, щелочей, солей и прочей химии, которая может моментально разрушить органическую частицу. Их нанозим на основе аминокислоты — это, по сути, мягкая органика. В кислой среде томатного сока или в щелочной среде перебродившего зерна он может просто потерять форму и перестать работать. В статье нет убедительных данных о том, как ведут себя эти частицы в агрессивных средах, в широком диапазоне pH и температур. Пока они не докажут, что их изобретение выдерживает реальные условия пищевого производства, говорить о практическом применении преждевременно. Слишком велик риск, что «бумажка не позеленеет» там, где должна, и мы просто пропустим опасную концентрацию гербицида.

Ранее российские ученые разработали новый метод проверки продуктов питания.