Las nanozimas son materiales diminutos diseñados que imitan las propiedades catalíticas de las enzimas naturales y sirven para una variedad de propósitos en biomedicina, ingeniería química y aplicaciones ambientales. Suelen estar fabricados a partir de materiales inorgánicos con componentes de base metálica, lo que los hace inadecuados para muchos fines debido a su toxicidad y sus elevados costes de producción.
Las nanozimas de base biológica superan parcialmente algunos de estos problemas y tienen potencial para una gama más amplia de aplicaciones, incluidas la alimentación y la agricultura, pero aún se encuentran en las primeras etapas de desarrollo. Un nuevo artículo de la Universidad de Illinois Urbana-Champaign ofrece una visión general del estado actual de las nanozimas orgánicas y su potencial futuro.
“Las nanozimas inorgánicas existen desde 2007, cuando los investigadores descubrieron que las nanopartículas de óxido de hierro podían realizar una actividad catalítica similar a la de las enzimas naturales como la peroxidasa. Su uso ha avanzado rápidamente, pero tienen algunos inconvenientes importantes. Están hechas de materiales caros y “Requieren un proceso de ingeniería pesado y que requiere mucho tiempo para fabricarlos, son potencialmente tóxicos para los humanos y el medio ambiente, y no son naturalmente biodegradables, por lo que plantean un problema de gestión de residuos”, dijo el autor principal Dong Hoon Lee, estudiante de doctorado en el Departamento. Ingeniería Agrícola y Biológica (ABE), parte de la Facultad de Ciencias Agrícolas, del Consumidor y Ambientales y de la Facultad de Ingeniería de Granger.
Estos problemas llevaron a la aparición de nanozimas orgánicas hace unos años, afirmó Mohammad Kamruzzaman, profesor asistente de la ABE y coautor del estudio.
“Las nanozimas orgánicas son rentables, no tóxicas y respetuosas con el medio ambiente. El proceso de fabricación es menos complicado y puede producirse en unas pocas horas, en comparación con los días de las nanozimas inorgánicas”, afirmó.
“También son mucho menos costosos. Los metales preciosos utilizados para las nanozimas inorgánicas cuestan alrededor de 400 dólares por gramo, mientras que los materiales orgánicos y los componentes de metales de transición cuestan menos de 50 centavos por gramo. Esto los hace mucho más accesibles para aplicaciones del mundo real fuera del laboratorio. “, añadió.
Además, las nanozimas orgánicas son duraderas y algunas de ellas son biodegradables. Todavía contienen un pequeño elemento metálico, como hierro o cobre, que se requiere para formar un “sitio activo” para la actividad catalítica similar a una enzima, pero el nivel de toxicidad es mucho menor.
En el artículo, los investigadores identifican cuatro tipos principales de nanozimas orgánicas según los materiales utilizados para fabricarlas, incluidos polímeros, biomacromoléculas (principalmente celulosa), compuestos orgánicos y materiales orgánicos como ADN y péptidos. Describen la estructura química, composición, función y actividad catalítica de cada uno de estos tipos, proporcionando información básica para otros científicos. También ilustran aplicaciones relacionadas desde la agricultura, la alimentación y el medio ambiente hasta la biomedicina.
Las nanozimas inorgánicas se originaron en el área biomédica, y ahí es donde se lleva a cabo alrededor del 80% de la investigación, señaló Kamruzzaman. Por ejemplo, se utilizan en medicina de diagnóstico, imágenes, terapéutica y biodetección. Sin embargo, existen preocupaciones sobre la toxicidad inherente y su impacto en la viabilidad celular en aplicaciones terapéuticas. Las nanozimas orgánicas pueden aliviar esas preocupaciones y ampliar las aplicaciones en la alimentación y la agricultura.
En un estudio anterior, Kamruzzaman y Lee fueron pioneros en el uso de herramientas de detección molecular que pueden detectar la presencia de pesticidas agrícolas en nanozimas orgánicas y productos alimenticios centrados en la agricultura. El objetivo final es crear un kit de prueba simple que las personas puedan aplicar en cualquier lugar y escanear los resultados a través de una aplicación de teléfono para obtener una lectura en color que indique la concentración de pesticidas en los alimentos. También se han introducido varias nanozimas orgánicas adicionales fabricadas a partir de materiales sostenibles y se están desarrollando sistemas de detección molecular más avanzados.
“Las nanozimas orgánicas tienen muchas ventajas sobre las nanozimas inorgánicas, pero todavía se encuentran en las primeras etapas de desarrollo y tenemos que superar muchos desafíos para aplicarlas en los sectores alimentario y agrícola”, dijo Kamruzzaman.
Un obstáculo es la limitada gama de materiales orgánicos aptos para la producción. Los investigadores señalan que los lípidos o los aminoácidos son materiales prometedores para futuros prototipos que podrían desempeñar un papel importante en el desarrollo de nanozimas de próxima generación.