Gli scienziati del Laboratorio di fisica dell'attosecondo hanno sviluppato una tecnologia laser unica per l'analisi della composizione molecolare dei campioni biologici. È in grado di rilevare variazioni minime nella composizione chimica dei sistemi organici.

A livello biochimico, gli organismi possono essere pensati come raccolte complesse di molte specie di molecole. Nel corso del loro metabolismo, le cellule biologiche sintetizzano i composti chimici e li modificano in vari modi. Molti di questi prodotti vengono rilasciati nel mezzo intercellulare e si accumulano nei fluidi corporei compreso il sangue. Uno degli obiettivi principali della ricerca biomedica è capire cosa possono dirci queste miscele immensamente complesse di molecole sullo stato dell'organismo in questione. Tutti i tipi cellulari differenziati contribuiscono a questa "zuppa". Ma le cellule precancerose e maligne aggiungono i propri marcatori molecolari specifici e questi forniscono le prime indicazioni della presenza di cellule tumorali nel corpo.

Finora, però, pochissime di queste molecole indicatrici sono state identificate, e quelli che sono noti compaiono in quantità minuscole nei campioni biologici. Questo li rende estremamente difficili da rilevare. I ricercatori presumono che molte delle firme molecolari più informative comprendano combinazioni di composti che appartengono a tutti i vari tipi di molecole presenti nelle cellule:proteine, zuccheri, grassi e loro diversi derivati. Per definirli, i ricercatori richiedono un unico metodo analitico che sia abbastanza versatile e sensibile da rilevare e misurare i loro livelli.

Un team interdisciplinare guidato dal Prof. Ferenc Krausz ha ora costruito un nuovo sistema basato su laser progettato specificamente per questo scopo. Il gruppo ha sede presso il Laboratorio di Fisica degli Attosecondi (LAP), che è gestito congiuntamente dalla Ludwig-Maximilians-Universitaet (LMU) di Monaco e dal Max Planck Institute for Quantum Optics (MPQ), e include fisici, biologi e data scientist. Questo sistema consente ai ricercatori di ottenere impronte chimiche sotto forma di spettri infrarossi che rivelano le composizioni molecolari di campioni di ogni tipo, compresi campioni di origine biologica. La tecnica offre una sensibilità senza precedenti e può essere utilizzata per tutte le classi note di biomolecole.

Il nuovo spettrometro laser si basa su tecnologie originariamente sviluppate nel LAP per la produzione di impulsi laser ultracorti, che vengono utilizzati per studiare la dinamica ultraveloce dei sistemi subatomici. Lo strumento, che è stato costruito dal fisico Ioachim Pupeza e dai suoi colleghi, è progettato per emettere impulsi di luce laser estremamente potenti che coprono un ampio segmento dello spettro nella lunghezza d'onda dell'infrarosso. Ciascuno di questi impulsi dura pochi femtosecondi (in notazione scientifica 1 fs =10 ^-15 S, un milionesimo di miliardesimo di secondo). Questi brevissimi lampi di luce infrarossa fanno vibrare i legami che uniscono gli atomi. L'effetto è analogo a quello di colpire un diapason. Dopo il passaggio del polso, le molecole vibranti emettono luce coerente a lunghezze d'onda molto caratteristiche o, equivalentemente, frequenze di oscillazione. La nuova tecnologia permette di catturare l'insieme completo delle lunghezze d'onda emesse. Poiché ogni composto distinto nel campione vibra a uno specifico insieme di frequenze, esso contribuisce all'emissione con il proprio 'sottospettro' ben definito. Nessuna specie molecolare ha un posto dove nascondersi.

"Con questo laser, possiamo coprire un'ampia gamma di lunghezze d'onda infrarosse, da 6 a 12 micrometri, che stimolano le vibrazioni nelle molecole, "dice Marinus Huber, primo autore congiunto dello studio e membro del gruppo della biologa Mihaela Zigman, che è stata anche coinvolta negli esperimenti condotti nel LAP. "A differenza della spettroscopia di massa, questo metodo consente l'accesso a tutti i tipi di molecole presenti nei campioni biologici, " spiega.

Ciascuno degli impulsi laser ultracorti utilizzati per eccitare le molecole consiste solo di poche oscillazioni del campo ottico. Inoltre, la luminosità spettrale dell'impulso (cioè la sua densità di fotoni) è fino al doppio di quella generata dai sincrotroni convenzionali, che finora sono servite come sorgenti di radiazioni per approcci comparabili alla spettroscopia molecolare. Inoltre, la radiazione infrarossa è coerente sia nello spazio che nel tempo. Tutti questi parametri fisici insieme spiegano l'estrema sensibilità del nuovo sistema laser, consentendo di rilevare molecole presenti in concentrazioni molto basse e di produrre impronte molecolari ad alta precisione.

Inoltre, campioni di tessuto vivente fino a 0,1 mm di spessore possono ora essere illuminati con luce infrarossa e analizzati con una sensibilità senza pari. Nei primi esperimenti, il team del LAP ha applicato la tecnica alle foglie e ad altre cellule viventi, così come campioni di sangue. "Questa capacità di misurare con precisione le variazioni nella composizione molecolare dei fluidi corporei apre nuove possibilità in biologia e medicina, e in futuro la tecnica potrebbe trovare applicazione nella diagnosi precoce dei disturbi, " dice Zigman.