Nanozimi, classificazione, applicazioni

I nanozimi sono, secondo la I.U.P.A.C., uno dei materiali emergenti con la maggiore capacità di aprire nuove opportunità nel campo della ricerca. I nanozimi sono nanomateriali di origine artificiale con dimensioni da 1 a 100 nm che mostrano caratteristiche simili a quelle degli enzimi mimandone l’attività il cui termine fu coniato dal chimico italiano Paolo Scrimin e dai suoi collaboratori nel 2004.

Gli enzimi, come tutti i catalizzatori aumentano la velocità di reazione abbassando l’energia di attivazione senza essere essi stessi consumati. Essi sono costituiti principalmente da una proteina e un cofattore metallico. La parte proteica contiene vari gruppi funzionali, facilita l’assorbimento del substrato e fornisce un sito attivo per il legame del substrato, mentre la parte metallica, generalmente uno ione metallico o complesso metallico facilita la catena di trasporto degli elettroni.

L’azione simultanea delle due parti potenzia l’attività catalitica degli enzimi alcuni dei quali, per la loro attività e eccellente specificità del substrato, sono stati utilizzati in varie applicazioni in campo agricolo agrochimica, farmaceutico, alimentare e biomedico. Tuttavia, le applicazioni pratiche degli enzimi sono limitate a causa di alcune gravi limitazioni come bassa stabilità operativa, bassa sensibilità ed elevato costo.

Gli studi si sono così concentrati allo sviluppo di enzimi, detti nanozimi, simili a quelli naturali in grado di catalizzare efficacemente la conversione di substrati enzimatici in condizioni blande e mostrare efficienza catalitica. I nanozimi presentano numerosi vantaggi rispetto a quelli naturali, tra cui funzionalità, basso costo, riciclabilità ed elevata stabilità. Inoltre i nanozimi possono espletare le loro funzioni in condizioni ambientali e possono funzionare in una gamma più ampia di pH e temperatura.

Classificazione dei nanozimi

I nanozimi sono generalmente classificati in quattro categorie ovvero a base metallica, a base di ossidi metallici, a base di carbonio e altri tipi.

In quelli a base metallica, sintetizzati con metalli che presentano un comportamento catalitico intrinseco sono presenti nanoparticelle metalliche, come nanoparticelle d’oro, di platino e di palladio. Per migliorarne l’attività catalitica possono essere bimetallici e presentano oro e platino, platino e palladio, oro e argento. In particolare i nanozimi con nanoparticelle d’oro mostrano un’attività che imita la perossidasi o, se le nanoparticelle d’oro hanno un diametro di 3.6 nm, in presenza di glucosio, imitano la glucosio ossidasi.

Nonostante i loro vantaggi come la facilità di preparazione e modifica, i nanozimi a base metallica possono presentare svantaggi tra cui la tossicità dei metalli e le aggregazioni spontanee.

Tra i nanozimi a base di ossidi metallici il più noto è costituito da nanoparticelle di ossido di ferro Fe₃O₄ che presentano un’attività simile alla perossidasi. Si ritiene che gli ioni ferrosi e ferrici della superficie attiva nelle nanoparticelle siano i componenti chiave che consentono l’attività catalitica, imitando il sito di legame ferro-eme presente nell’ enzima perossidasi di rafano (HRP).

I nanozimi a base di nanoparticelle di ossido di cerio (IV) imitano l’azione della catalasi-simile e della superossidasi dismutasi a svolgere attività simili alla perossidasi. Il passaggio, da parte del cerio da numero di ossidazione +3 a +4  tra ricorda il meccanismo delle ossidoreduttasi che utilizzano metalli come cofattori per catalizzare una serie di reazioni redox reversibili.

I nanozimi non metallici come i nanomateriali a base di carbonio, come il fullerene e i suoi derivati, i nanotubi di carbonio, i  punti quantici di carbonio e l’ossido di grafene, imitano le attività delle perossidasi e delle catalasi.

Alla quarta categoria appartengono i MOFs caratterizzati da ioni, gruppi di ioni metallici o cluster metallici coordinati con opportuni leganti bi o polidentati detti linkers. La dimensione regolabile dei loro pori, le aree superficiali altamente specifiche e i siti attivi esposti forniscono ai MOFs un’elevata efficienza catalitica. Le nanoparticelle del blu di Prussia sono un analogo dei MOFs che possono comportarsi contemporaneamente come imitatori multienzimatici e sono stati utilizzati efficacemente come scavenger per le specie reattive dell’ossigeno

Applicazioni dei nanozimi

Grazie al fatto che l’attività dei nanozimi può essere regolata semplicemente variando la loro forma, struttura e composizione rivestono un interesse sempre più ampio nei campi delle scienze e delle tecnologie ambientali per il rilevamento e il trattamento degli inquinanti ambientali.

Essi possono essere utilizzati per l’analisi qualitativa e quantitativa di ioni, molecole e composti e sono utilizzati per la degradazione di vari inquinanti organici.

I nanozimi sono diventati un punto di riferimento della ricerca come alternativa promettente per combattere i batteri in alternativa agli antibiotici tradizionali il  cui abuso a lungo termine o l’uso incontrollato ha favorito l’emergere di superbatteri resistenti a più farmaci, minacciando di conseguenza la salute pubblica.

Possono inoltre essere utilizzati nell’industria alimentare per monitorare la presenza negli alimenti o nella catena di produzione alimentare di contaminanti alimentari, un tipo di sostanze tossiche dannose per l’uomo