Nanozyme là vật liệu tổng hợp có khả năng xúc tác tương tự enzyme, được ứng dụng rộng rãi trong y sinh, đặc biệt là chẩn đoán bệnh. Tuy nhiên, do nanozyme vô cơ thường có tính độc hại, chi phí cao và quy trình sản xuất phức tạp, do đó chúng bị hạn chế khả năng ứng dụng trong các ngành nông nghiệp và công nghiệp thực phẩm.

Mới đây, các nhà nghiên cứu tại Đại học Illinois Urbana-Champaign đã phát triển một nanozyme từ vật liệu hữu cơ an toàn, thân thiện với môi trường và tiết kiệm chi phí. Trong hai nghiên cứu mới gần đây, họ đã giới thiệu phiên bản nanozyme hữu cơ thế hệ mới và tạo ra một nền tảng chẩn đoán tại chỗ để nhận diện các phân tử trong sản phẩm nông nghiệp.

Dong Hoon Lee - người đã hoàn thành chương trình tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Nông nghiệp và Sinh học (ABE), thuộc Trường Khoa học Nông nghiệp, Người tiêu dùng và Môi trường và Trường Kỹ thuật Grainger tại Đại học Illinois, tác giả chính của nghiên cứu cho biết: “thế hệ nanozyme đầu tiên dựa trên hợp chất hữu cơ (OC) gặp một số hạn chế nhỏ, do đó nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã chủ động tìm cách cải tiến. Trước đây, các nanozyme OC cần sử dụng polyme ổn định hạt với các nhóm chức năng lặp lại nhằm duy trì ổn định cấu trúc nano, nhưng phương pháp này không cho ra kích thước hạt đủ nhỏ như mong đợi"

Ở bước nghiên cứu tiếp theo, họ đã sử dụng L- alanine - một loại axit amin cơ bản, cùng với polyethylene glycol (PEG) làm vật liệu cấu thành và một kỹ thuật tổng hợp hạt tiên tiến cho phép họ giảm kích thước hạt xuống dưới 100 nanomet. Nanozyme này không chỉ được xây dựng có cấu trúng khung vật lý gống các enzym mục tiêu mà còn có khả năng mô phỏng hoạt động xúc tác của các enzyme mục tiêu.

Trong nghiên cứu đầu tiên được công bố trên tạp chí Chemical Engineering Journal, các nhà nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng các nanozyme hữu cơ (OA) kết hợp với nền tảng cảm biến màu có thể cho phép phát hiện thành công và nhanh chóng sự hiện diện của histamine trong các sản phẩm thực phẩm. Histamine là một chất thường liên quan đến quá trình phân hủy và có thể gây ra các phản ứng dị ứng

“Chúng tôi đã áp dụng phương pháp phân tích này cho rau bina và cà tím –là những loại rau có nồng độ histamine cao nhất – và thu được hồ sơ hiệu suất với chi phí hợp lý. Qua đó, chúng tôi chứng minh rằng hệ thống của chúng tôi không chỉ hoạt động tốt trong phòng thí nghiệm mà còn có tiềm năng ứng dụng thực tế, chẳng hạn như trong các hệ thống cảm biến phân tử tiết kiệm chi phí cho ngành thực phẩm và nông nghiệp”, Lee cho biết.

Trong một nghiên cứu khác được công bố trên tạp chí Chemical Engineering Journal, họ đã tinh chỉnh và cải tiến thêm quy trình sản xuất nanozyme hữu cơ (OM) mới và phát triển một nền tảng chẩn đoán tại chỗ,  một hệ thống đo màu cho phép phát hiện nhanh các phân tử nông nghiệp và sinh học mà không cần thực hiện trong phòng thí nghiệm.

Nền tảng này có thể ứng dụng trong giám sát chất lượng thực phẩm, kiểm tra dư lượng thuốc trừ sâu, hoặc phát hiện các dấu hiệu sinh học khác, mang lại lợi ích lớn trong các lĩnh vực nông nghiệp và an toàn sinh học.

“Trong khi các phương pháp phát hiện hiện nay chủ yếu dựa trên phân tích trong phòng thí nghiệm, việc phát triển một hệ thống cảm biến phân tử di động cho môi trường nông nghiệp và thực phẩm sẽ rất hữu ích, tương tự như các hệ thống xét nghiệm COVID tại nhà”, Lee nói.

Ban đầu, các nhà nghiên cứu đã áp dụng hệ thống này để phát hiện sự hiện diện của glyphosate, một loại thuốc diệt cỏ nông nghiệp phổ biến. Nhưng sau đó, họ sử dụng phương pháp phản ứng nối tiếp enzyme để phát hiện glucose, một phân tử sinh học phổ biến. Trong cả hai trường hợp này, hệ thống của họ đều cho thấy độ nhạy phân tích tốt và cho phép họ thu được kết quả chính xác trong vòng vài phút.

Mohammed Kamruzzaman, trợ lý giáo sư tại ABE, đồng tác giả của nghiên cứu chia sẻ thông tin rằng,“để sử dụng cảm biến phân tử này tại nhà, bạn cần thiết lập một ứng dụng xử lý hình ảnh được tích hợp với nền tảng cảm biến đo màu dựa trên OM-nanozyme trên điện thoại thông minh. Người dùng chỉ cần cho mẫu thực phẩm vào dung dịch lỏng, sau đó sử dụngdải vi lưu giấy nhỏ để thực hiện quy trình phát hiện”.

“Nếu dải chuyển sang màu xanh lá cây, đó là dấu hiệu hoạt động xúc tác đang xảy ra, cho thấy mẫu có thể chứa glyphosate hoặc glucose tùy theo cường độ màu. Người dùng chỉ cần chụp ảnh mẫu bằng điện thoại, và ứng dụng sẽ chuyển đổi hình ảnh thành ước tính nồng độ của các phân tử mục tiêu”.

Nghiên cứu của chúng tôi chứng minh nanozyme hữu cơ có hiệu suất xúc tác mạnh mẽ tương đương với enzyme và là giải pháp thay thế bền vững, có thể phân hủy sinh học cho nanozyme vô cơ, hứa hẹn ứng dụng rộng rãi trong nông nghiệp, an toàn thực phẩm và các lĩnh vực sinh học khác, theo Lee.

P.T.T (NASATI), theo https://phys.org/, 6/2025