Riconoscimento di nano-oggetti e virus senza marcatori

Il Giornale OnlineScoperto un modo efficace per identificare singoli oggetti e virus su scala nanometrica che potrebbe rappresentare un importante passo avanti nella diagnostica biomedica, la tutela dell'ambiente e la nano-elettronica

Negli ultimi ventanni sono stati fatti enormi progressi nel visualizzare e manipolare materiali su scala nanometrica. Utilizzando i microscopi di ultimissima generazione, i ricercatori oggi possono studiare la morfologia di singoli oggetti quali nanoparticelle, molecole e atomi nel loro ambito naturale. Eppure, nonostante il miglioramento della tecnologia disponibile, rimane ancora difficile misurare le proprietà meccaniche, chimiche, elettriche e termiche che caratterizzano e rendono unici questi oggetti. Solo mediante la misura delle loro proprietà è possibile distinguerli da oggetti morfologicamente simili ma con differente composizione chimica, e quindi di studiarli e, nel caso di molecule biologiche, di scoprirne la funzione biologica. Da tempo per riconoscere gli oggetti su scala nanometrica i ricercatori ricorrono al ‘labelling’ chimico, ossia ‘marcano’ i campioni mediante l’inserimento di sostanze riconoscibili come per esempio molecole fluorescenti. Ma poichè questi marcatori possono interferire con lo studio delle proprietà del campione, è necessario sviluppare nuove tecniche capaci di identificare la composizione dei nano-oggetti senza marcatori e ‘in situ’, ossia esattamente dove si trovano e manifestano le loro funzioni.

Ricercatori dell'Università di Barcellona (UB) e dell'Istituto di Bioingegneria della Catalogna (IBEC), tra cui Laura Fumagalli, ricercatrice italiana all’estero, in collaborazione con il Centro Nazionale di Biotecnologia di Madrid (CNB-CSIC) hanno messo a punto una nuova tecnica capace di identificare nano-oggetti senza marcatori basata nell’utilizzo del microscopio a forza elettrostatica (EFM), un tipo di microscopio a forza atomica, il celebre microscopio utilizzato dai ricercatori per effettuare misure su nanoscala.

Il microscopio a forza atomica è in grado di ricostruire l’immagine su nanoscala grazie ad una nano-punta montata all'estremità di un micro-leva che viene fatta scorrere sopra il campione e misurando i microscopici movimenti della leva, praticamente come le dita delle mani sui caratteri Braille. “Ma l’immagine è limitata alla morfologia della superficie, che non serve granchè se l’oggetto che ci interessa si trova tra altri con una forma simile e non sappiamo riconoscerlo,” spiega Laura, autore principale dello studio apparso oggi in Nature Materials. “In una situazione simile, l'uomo usa altri sensi, per esempio annusando una sostanza per distinguerla dalle altre. Ecco, abbiamo utilizzato un approccio simile.” Tutti gli oggetti hanno un ‘costante dielettrica’ (o permittività), che rappresenta la reazione ad un campo elettrico esterno caratterista del materiale di cui è composto. Utilizzando il microscopio EFM, i ricercatori hanno applicato un campo elettrico al nano-oggetto mediante la nano-punta e misurato il minuscolo movimento della leva indotto dalla risposta dielettrica dell’oggetto.

“Una volta riusciti a quantificare con precisione la costante dielettrica specifica degli oggetti, l’abbiamo utilizzata come un ‘impronta digitale’ per distinguerli da altri di forma identica ma di diversa composizione chimica, che sarebbe impossibile riconoscere senza marcatori,” continua Laura. “Fino ad ora, l’EFM era stato utilizzato per distinguere oggetti metallici da quelli non-metallici, in pratica dando solo un informazione in bianco e nero. Ora siamo riusciti a distinguere quantitativamente oggetti con constanti dielettriche simili e in particolare molto basse, caratteristiche delle macromolecule biologiche.” Per questo, è stato necessario migliorare la risoluzione elettrica del microscopio di quasi due ordini di grandezza, usare nano-punte geometricamente stabili sotto il nanometro e realizzare un modellizzazione accurata e realistica del sistema fisico mediante simulazioni a elementi finiti.

“La nostra tecnica fornisce inoltre una soluzione non invasiva per determinare la caratteristica interna degli oggetti su scala nanometrica e di correlarla con le loro funzioni senza dover taglierli o marcarli chimicamente. Per questo, sarà utile in vari settori della ricerca scientifica,” aggiunge Gabriel Gomila, co-autore dello studio e a capo del gruppo di ricerca. “Sarà particolarmente importante in nanomedicina per la diagnostica biomedica, dando la possibilità di rilevare e quantificare importanti macromolecole biologiche come i virus senza marcatori solamente sulla base delle loro proprie proprietà dielettriche. Analogamente può essere utilizzata per rilevare nanoparticelle per il monitoraggio e la protezione ambientale.”

I ricercatori hanno dimostrato l’efficacia della tecnica in ambito biologico applicandola ai virus, riuscendo a misurarne per la prima volta le proprietà dielettriche, fino ad ora rimaste inaccessibili e che possono essere legate alla loro funzione, e distinguendo virus vuoti dai virus contenenti DNA, che sono i virus capaci di iniettare il loro materiale genetico nelle cellule e cosi di infettarle. “Questi risultati rappresentano anche un importante passo avanti nello studio dei materiali dielettrici su scala nanometrica, che sono elementi fondamentali dei dispositivi nanoelettronici e ne determinano le prestazioni,” aggiunge Laura. “La nostra tecnica permetterà di misurare le proprietà dielettriche dei nuovi materiali nano-compositi e dei nano-dispositivi ibridi di ultima generazione, per esempio, e di sapere fino a quali dimensioni conservano queste proprietà. In altre parole, fino a che punto possiamo spingerci nel ridurre le loro dimensioni.” ■

L. Fumagalli, D. Esteban-Ferrer, A. Cuervo, J. L. Carrascosa and G. Gomila. (2012). Label-free identification of single dielectric nanoparticles and viruses with ultraweak polarization forces. Nature Materials, 8 July 2012

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da Richard mar 10 lug 2012, 17:59 Stampa veloce crea pdf di questa news




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