Una ricerca, di grande interesse, anche, perché la rivelazione tempestiva di bio-marcatori consentirebbe una diagnostica precoce e l’approccio preventivo per malattie gravi come tumori, patologie neurodegenerative e COVID-19, pubblicata su ‘Advanced Science’, portata a termine da ricercatori del CNR e dall’Università di Bari, dimostra come, per rivelare la presenza di singole molecole in un fluido biologico con un sensore a transistor con grandi interfacce bio-funzionalizzate, siano sufficienti pochi minuti.

di Piero Mastroiorio —

I ricercatori dell’IC-CNR, Istituto di Cristallografia ed l’IFN-CNR, Istituto di fotonica e nanotecnologie del Consiglio nazionale delle ricerche, in collaborazione con i Dipartimento di Chimica, di Farmacia-Scienze del Farmaco e Interuniversitario di Fisica dell’Università degli studi di Bari, hanno portato a termine una ricerca, pubblicata su ‘Advanced Science’, rivista internazionale ad elevatissimo Impact Factor (16.8), con cui sono riusciti a capire e risolvere l’enigma su come fa una molecola in un fluido biologico a raggiungere e interagire in pochi minuti con l’interfaccia sensibile di un dispositivo mille miliardi di volte più grande, nonché, ad aprire la strada allo sviluppo di bio-sensori elettronici sempre più efficaci.

nell’immagine di repertorio un biosensore, dispositivi che utilizza un elemento di riconoscimento biologico mantenuto a contatto diretto con un trasduttore 

Nelle fasi asintomatiche, che precedono l’insorgenza di patologie gravi, quali i tumori, le malattie neurodegenerative o il COVID-19, nei fluidi biologici del corpo umano sono presenti solo pochissimi bio-marcatori o patogeni, come spiega Luisa Torsi, professoressa ordinaria di chimica analitica dell’Università di Bari e neo vice-presidente del Consiglio scientifico del CNR, che ha coordinato la ricerca: «La loro rivelazione tempestiva consentirebbe realmente una diagnostica precoce e permetterebbe di trasformare radicalmente l’approccio medico da curativo a preventivo.».
Rivelare poche molecole ultra-diluite in un fluido utilizzando i dispositivi nanometrici esistenti è possibile, ma richiede settimane o mesi, poiché la probabilità di incontro ed interazione fra un bio-marcatore ed un nano-sensore, entrambi di dimensioni dell’ordine del nanometro, cioè un 1 miliardesimo di metro, è infinitamente bassa nel volume di un campione di sangue o saliva da analizzare, che è pari ad un decimo di millilitro. Sorprendentemente, diversi recenti esperimenti hanno dimostrato che, se invece di un nano-dispositivo, si utilizzano sensori aventi interfacce di millimetri, tappezzate con un grandissimo numero, mille miliardi, di anticorpi di cattura, è possibile rivelare la presenza di una singola molecola finanche in decimi di millilitro, nel giro di pochi minuti.

Nella foto relativa alla ricerca: a) Allestimento EG-FET SiMoT comprendente un canale P3HT accoppiato ad uno dei due gate immersi nel pozzo. b) Vista schematica in sezione trasversale della fase di incubazione effettuata nella soluzione da saggiare (volumi di 100 µL o 1 mL) a contatto con la superficie del gate di sensing funzionalizzata di raggio rg. Un antigene IgG può spostarsi casualmente, in un tempo Δt, all’interno di una sfera di raggio Δr di 0,37 mm in Δt = 600 s.

«È come liberare un singolo pesciolino nel lago di Garda e poi riuscire a ritrovarlo. Sviluppando un modello basato sulla teoria di Einstein sulla diffusione di particelle soggette al ‘moto browniano’ (moto incessante e disordinato di piccolissime particelle sospese in acqua o gas ndr) e usandolo, per spiegare nuovi esperimenti abbiamo trovato una spiegazione convincente all’enigma della cosiddetta barriera di diffusione», sottolinea Gaetano Scamarcio professore ordinario di Fisica dell’Università di Bari e associato al IFN-CNR, che ha ideato la ricerca, secondo il cui modello, un singolo antigene di immunoglobulina (IgG) in acqua è soggetto ad un incessante moto disordinato a causa dei frequentissimi urti con le molecole.
«L’analisi statistica mostra che in soli 10 minuti, grazie al moto browniano, la molecola può esplorare un volume pari a qualche decimo di millimetro cubo mentre ruota velocemente esponendo diversi siti di legame e, che, questo è sufficiente per garantire l’interazione efficace con uno dei moltissimi anticorpi presenti sull’interfaccia attiva del sensore», chiarisce Liberato De Caro ricercatore dell’IC-CNR.
Il risultato ottenuto ha enorme rilevanza per lo sviluppo di bio-sensori elettronici efficaci per la rivelazione precoce di patologie e per la medicina di precisione, come dichiara la vincitrice di un progetto ERC Starting Grant, Eleonora Macchia del Dipartimento di Farmacia-Scienze del Farmaco dell’Università di Bari: «Ad esempio, i sensori a transistor a singola molecola (SiMoT) hanno una prospettiva concreta di poter essere impiegati per la diagnostica dei tumori del pancreas e del COVID-19.». 
«Questo lavoro fuga un preconcetto diffuso in ambito scientifico, ovvero la generalizzazione dell’esistenza della cosiddetta barriera di diffusione. Infatti, questo limite riguarda solo i sensori con interfacce nanometriche, che risultano inadatti per impieghi su campioni reali. Invece, i sensori SiMoT possono rivelare patogeni a concentrazioni ultra-basse in tempi di qualche minuto e sono quindi estremamente promettenti per una nuova generazione di bio-sensori. Infine, è evidente come per aggredire problemi complessi a livello molecolare in sistemi reali sia di grande efficacia un approccio multidisciplinare basato su chimica analitica, fisica dei dispositivi elettronici, fisica statistica, dinamica molecolare e nanotecnologie», concludono Luisa Torsi e Gaetano Scamarcio.

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