Catching sight of the whole-new-era agrofoods safety driven by nanozyme
Science Bulletin ( IF 20.577 )
Pub Date : 2023-02-10
DOI: 10.1016/j.scib.2023.02.011
极端天气、海平面上升和生物多样性下降等全球气候变化，在作物产量、农产品质量和消费者安全方面对全球农业粮食系统产生破坏性影响。这些作物和农业食品的压力条件和环境污染促使立即采取行动，从可持续发展的角度发展一个全新时代的农业食品体系。纳米酶是一种具有酶模拟特性的纳米材料，其成本低，制备简便，活性可定制，比其生物对等物更能适应严格条件，随着时代的需要而出现。得益于其高度可定制和稳定的酶模拟功能，纳米酶可以在破坏性条件下通过增强作物应激恢复力和农业食品质量控制在全球农业食品部门中生存和发展。因此，研究揭示了纳米酶驱动的整个新时代农业食品安全，包括农业食品产量和质量安全，突出了纳米酶农业技术的独特优势，并明确了其优势方向，全面概述了纳米酶保障的农业食品安全(图1)。
增强作物抗逆性。全球气候变化加剧了作物面临的生物和非生物胁迫，如病毒、盐、干旱、寒冷、热和光胁迫，从而增加了全球农业粮食产量的负担。提高作物抗逆性的传统方法包括:(1)基因工程，(2)栽培管理，(3)合理使用各种肥料，(4)适当施用植物生长调节剂。然而，这些策略面临着时间消耗、反复试验、专业性高、环境破坏等挑战。这就需要开发革新性的、有效的和可持续的农业技术，通过减少勘探时间和对环境的危害，以及提高农业实践的可编程性和可操作性，来消除作物的紧张状况。从根本上说，活性氧(reactive oxygen species, ROS)是在胁迫条件下破坏蛋白质和核酸等重要作物生物分子的活性物质。为了避免这种损害，作物中的ROS调节酶系统，包括氧化酶、过氧化物酶、过氧化氢酶、超氧化物歧化酶、还原酶等，通常通过特定的催化途径，在平衡外源性和内源性ROS胁迫中发挥至关重要的作用(表S1在线)。从这个角度来看，与上述干预方法相比，具有ROS调节活性的纳米酶在提高作物胁迫恢复能力方面显示出巨大的潜力，因为纳米酶可以重复和直接调节作物的ROS水平。因此，具有抗氧化酶模拟活性的纳米酶既可以通过ROS清除途径缓解作物胁迫，也可以通过在作物体内创造低于阈值的合适ROS环境刺激胁迫防御途径来提高作物的抗逆性。具有抗氧化活性的纳米酶可以在应激条件下清除细胞代谢过程中不良的ROS水平。具有ROS清除活性的纳米酶可以通过降低叶片中过多的ROS来促进作物在热、光、暗低温胁迫下的生长，这体现在Rubisco羧化率、碳同化率和光系统II的量子产率上。在ROS清除过程中，纳米酶比已知的农作物天然酶清除剂具有明显的优势:纳米酶能有效清除农作物中已发现的天然酶清除剂无法清除的羟基自由基。此外，纳米粒体积小、球形、带负电荷等独特的物理特性也随着它们在叶绿体内的转运而得到加强。此外，含有作物所需元素的纳米酶除了作为ROS清除剂外，还作为纳米肥料发挥了重要作用。γ-Fe2O3纳米酶(4 ~ 15 nm)作为纳米肥料可通过增加碳同化、激活抗氧化系统、调节根瘤内植物激素等途径促进作物生长，可分别提高茎部和根瘤内作物生物量55.4%和99.0%，固氮效率比商品铁肥提高13.2%。此外，具有ROS生成活性的纳米酶可以开发为正常条件下的作物胁迫疫苗。具有ROS生成活性的纳米银颗粒(NPs)可以通过种子启动法增强作物对盐胁迫的抵御能力，刺激作物的防御通路，形成“胁迫记忆”，盐胁迫下作物的鲜重和干重分别提高58%和34%[6]。此外，具有蛋白酶样活性的纳米酶可以解决作物病毒病引起的生物胁迫。手性3 nm Cu1.96S NPs具有蛋白酶样活性，可在阳光下位点选择性水解Asn 101和Pro 102之间的酰胺键裂解烟草花叶病毒衣壳，在原生质体中抑制率为98.7%，在作物中抑制率为92.6%，同时避免了过敏反应和巨大的环境影响。纳米酶因其高效、低成本、稳定性好、可设计性高等优势，在胁迫条件下提高作物产量正经历一个不断突破的时代。但在未来的研究中，仍有一些不可忽视的问题值得关注，主要包括纳米酶的生物安全性和大小，以及纳米酶相关多技术的开发。农产品质量控制。具有多种催化活性的纳米酶也在全球农产品质量安全控制中发挥了重要作用，包括农产品加工、储存和监测。纳米酶对农产品质量安全的保障可以概括为两个重要途径:(1)具有各种催化活性的纳米酶可以直接调控微生物的生长，以保持农产品的新鲜度，延长农产品的保质期。(2)具有多种实用催化反应的ano酶可用于农产品质量变化的实时监测。微生物污染是威胁全球农业粮食安全的最重要因素之一。具有抗菌性能的纳米酶可以嫁接到农业食品包装技术中，如喷雾涂层和生物膜方法，以解决这一全球性危机。采用Ce-UiO-66 NPs在绿色羧甲基纤维素纳米纤维上喷涂具有良好的模仿氧化酶和模仿吡喃酶活性的NPs，通过产生ROS和消耗能量对食源性致病菌进行毒害，杀灭效率可达90.46%。此外，Fe3O4@PVP@MIL-88B(Fe)- nh -溶菌酶/carvacrol纳米酶具有细菌捕获、磁性聚合、溶菌酶水解、光触发热生成和carvacrol释放等多种抗细菌的优良特性，在106 CFU/mL浓度下可完全灭活金黄色葡萄球菌和大肠杆菌，加速了创新农产品保鲜技术的开发。此外，纳米酶还被用于制备抗细菌生物膜以保存农副产品。基于纳米酶的活性包装技术具有多种特殊的优点，如纳米酶的上述优点、包装性能的改善以及多种抗菌活性，是新时代强有力的多功能农业食品保鲜技术。然而，一些值得关注的研究方向，如生物安全性、催化适用性和薄膜集成等，为纳米酶农业食品保鲜技术的向前迈进迈出了一步。利用具有多种有用催化作用的纳米酶作为信号转导和扩增元件，实现快速、现场、简便、低成本的农产品质量实时监测是确保农产品安全的最后一个关键环节。纳米酶的底物可用于农产品品质检测。将山根过氧化物酶及其催化底物包裹在咪唑沸石框架-8中，包裹在作物叶片、叶茎或根上，检测外源性/内源性过氧化氢，用于作物健康监测，具有低至120 nmol/L的显著检测限(LOD)，具有无损、微创、实时原位分析等优点，对农用食品安全具有较强的增强作用。纳米酶的催化活性可用于农产品品质检测。利用不同的杂原子掺杂石墨烯制备纳米酶传感器阵列，对不同农药的过氧化物酶样活性进行掩盖，实现了5 ~ 500 μmol/L浓度范围内5种农药的成功鉴别，并表现出高灵敏度、高特异性、高通量和良好的可行性。此外，纳米酶可以被生物活性分子修饰，用于通用和特定的纳米酶农用食品质量传感。在农用食品品质酶联免疫吸附试验(ELISA)中，利用金属有机框架作为模拟酶标签对酶进行空间包封，在催化活性、酶的利用效率、底物分子与纳米酶的相互作用等方面均表现出多种提高优势，可达到低至8.0 pg mL-1的超灵敏LOD，灵敏度比标准ELISA提高160倍。此外，生物活性分子修饰的纳米酶可以集成到农业食品质量的即时检测设备中。本课题组设计了经抗体修饰的纳米酶，开发了农用食品品质免疫色谱条带，具有快速、简便、可编程性高、成本低、灵敏度高等优点，在0-6 ng/mL检测范围内，实现了灵敏度LOD为0.172 ng/mL。纳米酶编码现场检测技术具有快速、友好、低成本等优点，可作为新一代农产品质量快速检测方法。但纳米酶的类酶活性、类酶类型、集成装置等仍是未来研究的重点。迄今为止，纳米酶在促进农业食品生产管理和提高方面取得巨大成功方面具有巨大潜力，而在农业食品系统的新时代，纳米酶在生物安全性、活性缺陷或类型多样性方面的局限性值得更多的考虑，这些挑战已在补充材料中进行了讨论(注S1在线)。综上所述，纳米酶作为一种具有低成本、高可设计性和环境耐久性的天然酶模拟物，有望为即将到来的农业食品系统时代描绘一个光明的未来。