Un gruppo di ricerca interdisciplinare di Bochum, Duisburg e Zurigo ha sviluppato un nuovo approccio per costruire sensori ottici modulari in grado di rilevare virus e batteri. A tale scopo, i ricercatori hanno utilizzato nanotubi di carbonio fluorescenti con un nuovo tipo di ancore di DNA che fungono da maniglie molecolari. Le strutture di ancoraggio possono essere utilizzate per coniugare unità di riconoscimento biologico come aptameri di anticorpi ai nanotubi. L’unità di riconoscimento può successivamente interagire con molecole batteriche o virali ai nanotubi. Queste interazioni influenzano la fluorescenza dei nanotubi e aumentano o diminuiscono la loro luminosità.
Un team composto dal professor Sebastian Kruss, Justus Metternich e quattro collaboratori dell’Università della Ruhr di Bochum (Germania), del Fraunhofer Institute for Microelectronic Circuits and Systems e dell’ETH di Zurigo ha riportato le proprie scoperte nel Giornale dell’American Chemical Society, pubblicato online il 27 giugno 2023.
Semplice personalizzazione dei biosensori a nanotubi di carbonio
Il team ha utilizzato nanosensori tubolari realizzati in carbonio e con un diametro inferiore a un nanometro. Quando irradiati con luce visibile, i nanotubi di carbonio emettono luce nella gamma del vicino infrarosso. La luce nel vicino infrarosso non è visibile all’occhio umano. Tuttavia, è perfetto per le applicazioni ottiche, perché il livello di altri segnali in questa gamma è molto ridotto. In studi precedenti, il team di Sebastian Kruss aveva già mostrato come la fluorescenza dei nanotubi può essere manipolata per rilevare biomolecole vitali. Ora, i ricercatori hanno cercato un modo per personalizzare i sensori di carbonio per l’uso con diverse molecole target in modo semplice.
La chiave del successo sono state le strutture del DNA con i cosiddetti difetti quantici della guanina. Ciò ha comportato il collegamento delle basi del DNA al nanotubo per creare un difetto nella struttura cristallina del nanotubo. Di conseguenza, la fluorescenza dei nanotubi è cambiata a livello quantico. Inoltre, il difetto ha agito come una maniglia molecolare che ha permesso di introdurre un’unità di rilevamento, che può essere adattata alla rispettiva molecola bersaglio allo scopo di identificare una specifica proteina virale o batterica. “Attraverso il collegamento dell’unità di rilevamento agli ancoraggi del DNA, l’assemblaggio di un tale sensore assomiglia a un sistema di blocchi di costruzione, tranne per il fatto che le singole parti sono 100.000 volte più piccole di un capello umano”, sottolinea Sebastian Kruss.
Il sensore identifica diversi bersagli batterici e virali
Il gruppo ha presentato il nuovo concetto di sensore utilizzando come esempio la proteina spike SARS CoV-2. A tal fine, i ricercatori hanno utilizzato aptameri, che si legano alla proteina spike SARS CoV-2. “Gli aptameri sono filamenti di DNA o RNA ripiegati. Grazie alla loro struttura, possono legarsi selettivamente alle proteine”, spiega Justus Metternich. “Nel passaggio successivo, si potrebbe trasferire il concetto agli anticorpi o ad altre unità di rilevamento”.
I sensori fluorescenti hanno indicato la presenza della proteina SARS-CoV-2 con un alto grado di affidabilità. La selettività dei sensori con difetti quantici della guanina era superiore alla selettività dei sensori senza tali difetti. Inoltre, i sensori con difetti quantici di guanina erano più stabili in soluzione. “Questo è un vantaggio se si pensa a misurazioni che vanno oltre le semplici soluzioni acquose. Per le applicazioni diagnostiche, dobbiamo misurare in ambienti complessi, ad esempio con le cellule, nel sangue o nell’organismo stesso”, afferma Sebastian Kruss, che dirige il Functional Interfaces and Biosystems Group presso la Ruhr University di Bochum ed è membro del Ruhr Explores Solvation Cluster of Excellence (RESOLV) e dell’International Graduate School of Neuroscience.
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