Una singola cellula del nostro corpo è composta da migliaia di milioni di diverse biomolecole che lavorano insieme in modo estremamente ben coordinato. Allo stesso modo, molte reazioni biologiche e biochimiche avvengono solo se le molecole sono presenti a concentrazioni molto elevate. Comprendere come tutte queste molecole interagiscono tra loro è la chiave per far progredire le nostre conoscenze in biologia molecolare e cellulare.

Questa conoscenza è di importanza centrale e fondamentale nella ricerca per l'individuazione delle prime fasi di molte malattie umane. Come tale, uno degli obiettivi finali delle scienze della vita e della biotecnologia è osservare come le singole molecole lavorano e interagiscono tra loro in questi ambienti molto affollati. Sfortunatamente, rilevare una molecola tra milioni di molecole vicine è stato tecnicamente impossibile fino ad ora. La chiave per rilevare con successo la singola molecola sta nella concezione e produzione di un dispositivo funzionante che riduce la regione di osservazione a una dimensione minuscola paragonabile alla dimensione della molecola stessa, cioè solo pochi nanometri.

I ricercatori dell'Istituto Fresnel di Marsiglia e dell'ICFO, l'Istituto di scienze fotoniche di Barcellona, ​​riferiscono in Nanotecnologia della natura la progettazione e la fabbricazione del più piccolo dispositivo ottico, in grado di rilevare e percepire singole biomolecole a concentrazioni simili a quelle riscontrate nel contesto cellulare. Il dispositivo chiamato "antenna-in-a-box" consiste in una minuscola antenna dimer composta da due semisfere dorate, separati l'uno dall'altro da uno spazio di soli 15 nm. La luce inviata a questa antenna viene enormemente amplificata nella regione del gap dove avviene l'effettivo rilevamento della biomolecola di interesse. Poiché l'amplificazione della luce è limitata alle dimensioni dell'intercapedine, vengono rilevate solo le molecole presenti in questa piccola regione. Un secondo trucco che i ricercatori hanno utilizzato per far funzionare questo dispositivo è stato quello di incorporare le antenne dimer all'interno di scatole anche di dimensioni nanometriche. "La scatola scherma il "rumore" indesiderato di milioni di altre molecole circostanti, riducendo lo sfondo e migliorando nel suo insieme la rilevazione delle singole biomolecole.", spiega Jerome Wenger del Fresnel Institute. Quando testato con diverse concentrazioni di campione, questo nuovo dispositivo antenna-in-box ha consentito un miglioramento della luminosità della fluorescenza di 1100 volte insieme a volumi di rilevamento fino a 58 zeptolitri (1 zL =10-21L), cioè., il volume di osservazione più piccolo al mondo.

L'antenna-in-a-box offre una piattaforma altamente efficiente per eseguire una moltitudine di valutazioni biochimiche su nanoscala con sensibilità a singola molecola in condizioni fisiologiche. Potrebbe essere utilizzato per il rilevamento ultrasensibile di piccole quantità di molecole, diventando un eccellente dispositivo di diagnosi precoce per il biorilevamento di molti marker di malattia. "Può anche essere usato come nanosorgente ottica ultra brillante per illuminare i processi molecolari nelle cellule viventi e, infine, visualizzare come le singole biomolecole interagiscono tra loro. Questo ci avvicina al sogno tanto atteso dei biologi", conclude la ricercatrice ICFO Prof. Maria Garcia-Parajo.