Ologramma per molecole

Molte cose possono essere rilevate nel sangue o nelle urine: Le malattie virali, i disturbi metabolici o le malattie autoimmuni, ad esempio, possono essere diagnosticate con esami di laboratorio. Questi test richiedono spesso alcune ore e sono piuttosto lunghi, motivo per cui i medici consegnano i campioni a laboratori specializzati.

Scienziati dell'ETH di Zurigo e di Roche hanno sviluppato congiuntamente un metodo di analisi completamente nuovo basato sulla diffrazione della luce su molecole in un piccolo chip. La tecnologia ha il potenziale per rivoluzionare la diagnostica: In futuro i medici dovrebbero essere in grado di eseguire esami complessi in modo rapido e semplice direttamente nei loro studi.

Reso direttamente visibile con la luce laser

Come altri metodi diagnostici consolidati, anche il nuovo metodo utilizza il principio lock-and-key del riconoscimento molecolare: ad esempio, per determinare una specifica proteina disciolta nel sangue ("chiave"), questa deve agganciarsi a un anticorpo corrispondente ("lock"). Mentre nei metodi di analisi immunologica consolidati la "chiave nella serratura" viene resa visibile con una seconda "chiave" codificata a colori, questo passaggio non è più necessario nel nuovo metodo: la "chiave nella serratura" può essere resa direttamente visibile con la luce laser.

Gli scienziati utilizzano un chip con una superficie appositamente rivestita: contiene minuscoli punti circolari con uno specifico motivo a strisce. La molecola in questione aderisce alle strisce, ma non agli spazi tra le strisce. Se la luce laser viene guidata lungo la superficie del chip, viene diffratta (deviata) a causa della particolare disposizione delle molecole nel motivo e focalizzata su un punto al di sotto del chip. Un punto di luce diventa visibile. Se gli scienziati collocano sul chip campioni privi della molecola in questione, la luce non viene diffratta e non è visibile alcun punto luminoso.

Interazione delle molecole

"Il punto luminoso è un effetto dell'interazione di centinaia di migliaia di molecole nella loro particolare disposizione", spiega Christof Fattinger, scienziato di Roche. "Come in un ologramma, il carattere d'onda della luce laser viene utilizzato in modo mirato".

Janos V?r?s, professore di bioelettronica all'ETH di Zurigo, paragona il principio a un'orchestra: "Le molecole sono i musicisti, il modello a strisce è il direttore d'orchestra. Gli scienziati chiamano il modello a strisce "mologramma" (ologramma molecolare) e la nuova tecnica diagnostica "molografia focale".

Fattinger, scienziato di Roche, ha inventato il nuovo principio e ne ha sviluppato le basi teoriche. Cinque anni fa ha preso un anno sabbatico nel gruppo del professor V?r?s dell'ETH. La collaborazione tra gli scienziati Roche e l'ETH di Zurigo, iniziata in quel periodo, è ora sfociata nell'implementazione pratica della molografia.

Altre molecole non interferiscono

Un grande vantaggio del nuovo metodo è che il segnale (il punto luminoso) è generato solo dalle molecole che si attaccano specificamente al mologramma. Le altre molecole presenti nel campione non generano alcun segnale. Il metodo è quindi notevolmente più veloce rispetto ai precedenti metodi di analisi basati sul principio lock-and-key. Con questi ultimi, le altre molecole presenti nel campione devono essere lavate via, il che rallenta e complica la diagnosi. Il nuovo metodo è quindi ideale per misurare le proteine nel sangue o in altri fluidi corporei.

"Prevediamo che, grazie a questa tecnologia, un numero maggiore di esami di laboratorio verrà effettuato direttamente negli ambulatori dei medici, anziché in laboratori specializzati. In un futuro lontano, i pazienti potranno addirittura utilizzare la tecnologia a casa", afferma l'ETH Professor V?r?s.

Grande potenziale

Diversi mologrammi sono disposti su un piccolo chip. Nella versione attuale, 40 mologrammi misurano la stessa molecola. In futuro, tuttavia, potrebbe essere possibile misurare 40 o più biomarcatori diversi contemporaneamente su un chip.

Le potenziali applicazioni della nuova tecnologia sono immense. Potrebbe essere utilizzata ovunque sia necessario riconoscere e studiare l'interazione tra le molecole. Il metodo è così veloce da essere adatto anche a misurazioni in tempo reale. Questo è interessante per la ricerca biologica di base: ad esempio, può essere utilizzato per studiare la velocità con cui una molecola biochimica si attacca a un'altra. Altre applicazioni sono il controllo della qualità nel trattamento dell'acqua potabile o il monitoraggio dei processi nell'industria biotecnologica.

A tutto vapore verso la maturità del mercato

"Il fatto che siamo riusciti a mettere in pratica con successo l'idea è in gran parte dovuto al fatto che il nostro team di progetto era interdisciplinare", afferma V?r?s. Al lavoro hanno partecipato esperti di fotochimica, produzione di chip e rivestimento superficiale. Per il mologramma, gli scienziati hanno anche utilizzato speciali polimeri di rivestimento recentemente sviluppati nel laboratorio del professor Nicholas Spencer dell'ETH (Notizie ETH segnalato). "Senza questi polimeri e senza la collaborazione con Janos V?r?s, saremmo ancora molto lontani dal raggiungere il nostro obiettivo", afferma Fattinger.

La collaborazione tra Roche e l'ETH di Zurigo continuerà per sviluppare ulteriormente il metodo. Diversi scienziati e dottorandi del gruppo del professor V?r?s dell'ETH stanno lavorando al progetto. L'ETH di Zurigo e Roche intendono inoltre esplorare varie opportunità di commercializzazione per le applicazioni del metodo.