Las nanozimas son sustancias pequeñas diseñadas 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, incluidos elementos de base metálica, lo que los hace inadecuados para muchos fines debido a su toxicidad y su elevado coste de producción.
Las nanozimas de base orgánica superan parcialmente algunos de estos problemas y tienen potencial para una amplia gama 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 sólo 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 crecido rápidamente, pero algunas de las principales desventajas son que están hechas de componentes costosos y requieren tiempo. Los procesos de ingeniería pesados y que consumen mucho dinero para la fabricación son potencialmente tóxicos para los seres humanos y el medio ambiente y no son biodegradables, por lo que causan problemas de gestión de residuos”, dijo Dong Hoon Lee, estudiante de doctorado del 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 Kamerzaman, 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 se pueden producir en unas pocas horas, en comparación con los varios 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 realmente mucho más accesibles para su uso en aplicaciones globales. “, añadió.
Además, las nanozimas orgánicas son sostenibles y algunas de ellas son biodegradables. Todavía contienen un pequeño componente metálico, como hierro o cobre, necesario para formar el “sitio activo” para la actividad catalítica similar a una enzima, pero con un nivel de toxicidad mucho menor.
En el artículo, los investigadores identifican cuatro tipos principales de nanozimas orgánicas en función de los materiales orgánicos utilizados para fabricarlas, incluidos polímeros, biomacromoléculas (principalmente celulosa), compuestos orgánicos y materiales biológicos como ADN y péptidos. Describen la estructura química, los componentes, la funcionalidad y la actividad catalítica de cada uno de estos tipos, proporcionando información básica para otros científicos. También describen aplicaciones relevantes que van desde la agricultura, la alimentación y el medio ambiente hasta la biomedicina.
Kamerzman señaló que las nanozimas inorgánicas se originaron en el área biomédica, y ahí es donde se lleva a cabo alrededor del 80 por ciento de la investigación. Por ejemplo, se utilizan en medicina de diagnóstico, imágenes, terapia y biodetección. Sin embargo, existen preocupaciones sobre la toxicidad inherente y sus efectos sobre la viabilidad celular en aplicaciones terapéuticas. Las nanozimas orgánicas pueden abordar estas preocupaciones y ampliar las aplicaciones para la alimentación y la agricultura.
En investigaciones anteriores, Kamersman y Lee fueron pioneros en el uso de nanozimas orgánicas enfocadas en la agricultura e incorporaron herramientas de detección molecular que pueden detectar la presencia de pesticidas agrícolas en productos alimenticios. 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 de 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 hay muchos desafíos que superar antes de que podamos aplicarlas en el sector alimentario y agrícola”, afirmó Kamersman.
Una limitación es la limitada gama de materiales orgánicos adecuados para la producción. Los investigadores observaron que los lípidos o los aminoácidos son materiales prometedores para futuros prototipos que podrían desempeñar un papel importante en el desarrollo de la próxima generación de nanozimas.
