Pochi mesi dopo aver stabilito un record per il rilevamento del più piccolo virus singolo in soluzione, i ricercatori del Polytechnic Institute of New York University (NYU-Poly) hanno annunciato una nuova svolta:hanno utilizzato una versione nanopotenziata del loro biosensore a microcavità brevettato per rilevare una singola proteina marcatore del cancro, che è un sesto delle dimensioni del virus più piccolo, e molecole ancora più piccole al di sotto della massa di tutti i marcatori conosciuti. Questo risultato infrange il record precedente, stabilire un nuovo punto di riferimento per il limite di rilevazione più sensibile, e può far avanzare significativamente la diagnosi precoce della malattia. A differenza della tecnologia attuale, che attacca una molecola fluorescente, o etichetta, all'antigene per consentirne la visione, il nuovo processo rileva l'antigene senza un'etichetta interferente.

Stefano Arnold, professore universitario di fisica applicata e membro del dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare Othmer-Jacobs, dettagli pubblicati del risultato in Nano lettere , una pubblicazione dell'American Chemical Society.

Nel 2012, Arnold e il suo team sono stati in grado di rilevare in soluzione il più piccolo virus a RNA conosciuto, MS2, con una massa di 6 attogrammi. Ora, con il lavoro sperimentale del borsista postdottorato Venkata Dantham e dell'ex studente David Keng, sono state rilevate due proteine:una proteina marcatore del cancro umano chiamata tireoglobulina, con una massa di appena 1 attogrammo, e la forma bovina di una comune proteina plasmatica, siero albumina, con una massa molto più piccola di 0,11 attogrammi. "Un attogramma è un milionesimo di milionesimo di milionesimo di grammo, "disse Arnoldo, "e crediamo che il nostro nuovo limite di rilevamento possa essere inferiore a 0,01 attogrammi".

Quest'ultima pietra miliare si basa su una tecnica introdotta da Arnold e dai collaboratori della NYU-Poly e della Fordham University. Nel 2012, i ricercatori hanno stabilito il primo record di dimensionamento trattando un nuovo biosensore con nano-recettori d'oro plasmonici, potenziando il campo elettrico del sensore e consentendo di rilevare anche i più piccoli spostamenti nella frequenza di risonanza. Il loro piano era progettare un dispositivo diagnostico medico in grado di identificare una singola particella virale in un ambiente point-of-care, senza l'uso di preparati di analisi speciali.

Al tempo, l'idea di rilevare una singola proteina, fenomenale più piccola di un virus, è stata presentata come l'obiettivo finale.

"Le proteine ​​gestiscono il corpo, " ha spiegato Arnold. "Quando il sistema immunitario incontra il virus, pompa fuori enormi quantità di proteine ​​anticorpali, e tutti i tumori generano marcatori proteici. Un test in grado di rilevare una singola proteina sarebbe il test diagnostico più sensibile che si possa immaginare".

Con sorpresa dei ricercatori, l'esame del loro nanorecettore al microscopio elettronico a trasmissione ha rivelato che la sua superficie a guscio d'oro era ricoperta da protuberanze casuali grosso modo delle dimensioni di una proteina. Mappatura e simulazioni al computer create da Stephen Holler, una volta studente di Arnold e ora assistente professore di fisica alla Fordham University, hanno mostrato che queste irregolarità generano il proprio campo di sensibilità locale altamente reattivo che si estende per diversi nanometri, amplificando le capacità del sensore ben oltre le previsioni originali. "Un virus è troppo grande per essere aiutato nel rilevamento da questo campo, "Ha detto Arnold. "Le proteine ​​hanno solo pochi nanometri di diametro, esattamente la dimensione giusta per registrarsi in questo spazio."

Le implicazioni del rilevamento di una singola proteina sono significative e possono gettare le basi per migliori terapie mediche. Tra gli altri progressi, Arnold e i suoi colleghi ipotizzano che la capacità di seguire un segnale in tempo reale, per assistere effettivamente al rilevamento di una singola proteina marcatore di malattia e tracciarne il movimento, possa fornire una nuova comprensione di come le proteine ​​si legano agli anticorpi.

Arnold ha chiamato il nuovo metodo di rilevamento senza etichette "biorilevamento in modalità galleria sussurrata" perché le onde luminose nel sistema gli hanno ricordato il modo in cui le voci rimbalzano intorno alla galleria sussurrante sotto la cupola della Cattedrale di St. Paul a Londra. Un laser invia la luce attraverso una fibra di vetro a un rilevatore. Quando una microsfera viene posta contro la fibra, certe lunghezze d'onda della luce deviano nella sfera e rimbalzano all'interno, creando un tuffo nella luce che riceve il rilevatore. Quando una molecola come un marcatore del cancro si aggrappa a un nanoguscio d'oro attaccato alla microsfera, la frequenza di risonanza della microsfera si sposta di una quantità misurabile.