Scienziati spagnoli dell'Università di Barcellona hanno trovato un modo per identificare efficacemente oggetti e virus su nanoscala che potrebbero offrire una svolta per la diagnostica biomedica, protezione ambientale e nanoelettronica
Gli scienziati hanno compiuto incredibili progressi negli ultimi due decenni nel vedere e manipolare materiali su scala nanometrica. I microscopi di nuova generazione consentono ai ricercatori di esplorare la morfologia degli oggetti su scala nanometrica, come le nanoparticelle, singole molecole e atomi, nel loro ambiente naturale.
Nonostante i progressi tecnologici, però, ci sono ancora grossi ostacoli da superare nella misurazione della meccanica, chimico, proprietà elettriche e termiche che rendono unico ogni oggetto. Questo è fondamentale, perché solo comprendendo queste proprietà possiamo distinguere e monitorare nano-oggetti di forme simili ma specie chimiche diverse e, quando si tratta di complessi biologici, studia come funzionano e scopri i ruoli cruciali che svolgono nel corpo.
Gli scienziati che lavorano su scala nanometrica hanno dovuto a lungo fare affidamento sull'etichettatura chimica, che incorpora una sostanza visibile, come colorante fluorescente, nell'oggetto target – per rilevarne la presenza e la distribuzione fisica. Ma l'etichettatura delle molecole può dare risultati fuorvianti sulle loro proprietà. Per questa ragione, un'esigenza pressante nella scienza dei materiali e nella biologia è identificare la composizione dei nano-oggetti in situ – dove manifestano le loro funzioni – senza ricorrere all'etichettatura.
Ora, scienziati dell'Università di Barcellona (UB) e dell'Istituto di Bioingegneria della Catalogna (IBEC), in collaborazione con il Centro National de Biotecnologia (CNB-CSIC) di Madrid, hanno perfezionato una nuova tecnica che utilizza un microscopio a forza elettrostatica (EFM), un tipo di microscopio a forza atomica, per identificare in modo univoco i nano-oggetti senza bisogno di etichette.
Nella microscopia a forza atomica, una punta di dimensioni nanometriche all'estremità di una micro-leva viene trascinata su un oggetto su scala nanometrica. Questo ne sente la forma, proprio come una persona muove le dita sul Braille per leggere. Il movimento della leva è monitorato elettronicamente per ricostruire l'immagine in un computer. “Tuttavia, questa immagine rimane limitata alla struttura superficiale, che non è molto utile se il nostro oggetto di destinazione si trova tra altri di forma simile e non sappiamo esattamente dove, ” spiega Laura Fumagalli, autore principale dello studio che appare in Materiali della natura ieri. “In questa situazione, gli umani userebbero uno dei loro altri sensi, come odore o sapore, per riconoscere che cos'è esattamente una sostanza, quindi abbiamo utilizzato un approccio simile".
Tutti gli oggetti presentano una caratteristica "costante dielettrica", o permettività, che dà un'indicazione di come il materiale di cui sono fatti reagisce a un campo elettrico applicato. Utilizzando EFM, i ricercatori hanno applicato il campo elettrico ai nano-oggetti utilizzando la nano-punta, e percepiva il minuscolo movimento della leva indotto dalle risposte dielettriche degli oggetti.
“Quando abbiamo quantificato con precisione le loro costanti dielettriche, siamo stati quindi in grado di usarli come "impronta digitale" per discriminare oggetti di forma identica ma composizione diversa, che altrimenti sarebbe impossibile riconoscere senza etichettatura, ” spiega Fumagalli. “In precedenza, L'EFM è stato in grado di distinguere tra nano-oggetti metallici e non metallici solo in esperimenti in bianco e nero. Ora abbiamo riconosciuto quantitativamente quelli realizzati con materiali molto simili e con basse costanti dielettriche, come nel caso di molti complessi biologici." Gli sviluppi chiave che i ricercatori hanno fatto per raggiungere questo obiettivo sono stati l'aumento della risoluzione elettrica del microscopio di quasi due ordini di grandezza, quindi sono stati in grado di rilevare forze ultra-deboli. Hanno anche usato nano-punte geometricamente stabili, nonché un preciso metodo di modellazione dei loro risultati che tenga conto della fisica di un sistema e di tutti i suoi artefatti geometrici.
“Il nostro metodo, un modo non invasivo per determinare lo stato interno degli oggetti e correlarli con le loro funzioni senza affettare o etichettare, sarà uno strumento prezioso per diversi settori della ricerca scientifica, "dice Gabriel Gomila, co-autore dello studio e leader del gruppo presso IBEC. “È particolarmente importante nella nanomedicina per la diagnostica biomedica, aprendo la strada alla rilevazione quantitativa senza etichetta di macromolecole biologiche come i virus in base alle loro proprietà dielettriche. Allo stesso modo, può essere applicato per rilevare le nanoparticelle per il monitoraggio e la protezione ambientale”.
I ricercatori hanno applicato la loro tecnica a importanti complessi biologici, come i virus. Svelando per la prima volta le proprietà dielettriche di tali nano-oggetti, che finora sono rimasti inaccessibili, potrebbero essere in grado di scoprire aspetti importanti della funzionalità di un virus. Con la loro tecnica, hanno discriminato tra virus vuoti e contenenti DNA, Per esempio, quali sono quelli che possono inserire il loro materiale genetico nel DNA di una cellula ospite.
“Questi risultati sono anche una svolta nello studio fondamentale dei dielettrici su nanoscala, quali sono gli elementi costitutivi che determinano le prestazioni della nuova generazione di dispositivi nanoelettronici oggi in circolazione, ” aggiunge Fumagalli, che è anche docente presso il Dipartimento di Elettronica dell'Università di Barcellona, come Gomila. “La nostra nuova tecnica promette di far luce sulle domande sulle proprietà dielettriche dei nanocompositi di nuova concezione e dei nanodispositivi ibridi, e può dirci su quanto piccolo un oggetto dielettrico può mantenere le sue proprietà - in altre parole, quanto piccolo possiamo andare”.
