Gli ingegneri chimici del MIT hanno sviluppato un nuovo modo per generare nanoparticelle in grado di riconoscere molecole specifiche, aprendo un nuovo approccio alla costruzione di sensori durevoli per molti composti diversi, tra le altre applicazioni.

Per creare questi "anticorpi sintetici, " i ricercatori hanno utilizzato nanotubi di carbonio:cavi, cilindri di spessore nanometrico realizzati in carbonio che emettono naturalmente fluorescenza quando esposti alla luce laser. Nel passato, i ricercatori hanno sfruttato questo fenomeno per creare sensori rivestendo i nanotubi con molecole, come anticorpi naturali, che si legano a un determinato obiettivo. Quando si incontra il bersaglio, la fluorescenza del nanotubo di carbonio si illumina o si attenua.

Il team del MIT ha scoperto di poter creare nuovi sensori rivestendo i nanotubi con polimeri anfifilici appositamente progettati, polimeri che sono attratti sia dal petrolio che dall'acqua, come il sapone. Questo approccio offre una vasta gamma di siti di riconoscimento specifici per target diversi, e potrebbe essere utilizzato per creare sensori per monitorare malattie come il cancro, infiammazione, o diabete nei sistemi viventi.

"Questa nuova tecnica ci offre una capacità senza precedenti di riconoscere qualsiasi molecola bersaglio attraverso lo screening di complessi nanotubi-polimero per creare analoghi sintetici alla funzione anticorpale, "dice Michele Strano, il Carbon P. Dubbs Professor of Chemical Engineering al MIT e autore senior dello studio, che appare nell'edizione online del 24 novembre di Nanotecnologia della natura .

Gli autori principali dell'articolo sono il recente dottorando Jingqing Zhang, postdoc Markita Landry, e gli ex postdoc Paul Barone e Jong-Ho Kim.

Anticorpi sintetici

I nuovi sensori basati su polimeri offrono un approccio di progettazione sintetica alla produzione di siti di riconoscimento molecolare, consentendo, tra le altre applicazioni, il rilevamento di una libreria di bersagli potenzialmente infinita. Inoltre, questo approccio può fornire un'alternativa più duratura al rivestimento di sensori come i nanotubi di carbonio con anticorpi reali, che può rompersi all'interno di cellule e tessuti viventi. Un'altra famiglia di molecole di riconoscimento comunemente usate sono gli aptameri del DNA, che sono brevi frammenti di DNA che interagiscono con bersagli specifici, a seconda della sequenza aptamer. Però, non ci sono aptameri specifici per molte delle molecole che si potrebbe voler rilevare, Strano dice.

Nel nuovo giornale, i ricercatori descrivono siti di riconoscimento molecolare che consentono la creazione di sensori specifici per la riboflavina, estradiolo (una forma di estrogeno), e L-tiroxina (un ormone tiroideo), ma ora stanno lavorando su siti per molti altri tipi di molecole, compresi i neurotrasmettitori, carboidrati, e proteine.

Il loro approccio sfrutta un fenomeno che si verifica quando alcuni tipi di polimeri si legano a un nanotubo di carbonio. Questi polimeri, detto anfifilico, hanno regioni sia idrofobe che idrofile. Questi polimeri sono progettati e sintetizzati in modo tale che quando i polimeri sono esposti a nanotubi di carbonio, le regioni idrofobe si agganciano ai tubi come ancore e le regioni idrofile formano una serie di anse che si estendono lontano dai tubi.

Questi anelli formano un nuovo strato che circonda il nanotubo, noto come corona. I ricercatori del MIT hanno scoperto che gli anelli all'interno della corona sono disposti in modo molto preciso lungo il tubo, e la distanza tra gli ancoraggi determina quale molecola bersaglio sarà in grado di incunearsi negli anelli e alterare la fluorescenza del nanotubo di carbonio.

Interazioni molecolari

Ciò che rende unico questo approccio, dicono i ricercatori, è che il riconoscimento molecolare non può essere previsto osservando la struttura della molecola bersaglio e il polimero prima che si attacchi al nanotubo.

"L'idea è che un chimico non potrebbe guardare il polimero e capire perché questo riconoscerebbe il bersaglio, perché il polimero stesso non può riconoscere selettivamente queste molecole. Deve adsorbire sul nanotubo e poi, avendo alcune sezioni del polimero esposte, forma un sito di legame, "dice Strano.

Laurent Cognet, uno scienziato senior presso l'Istituto di ottica dell'Università di Bordeaux, afferma che questo approccio dovrebbe rivelarsi utile per molte applicazioni che richiedono un rilevamento affidabile di molecole specifiche.

"Questo nuovo concetto, essendo basato sul riconoscimento molecolare dalla fase adsorbita stessa, non richiede l'uso di anticorpi o molecole equivalenti per ottenere il riconoscimento di molecole specifiche e fornisce quindi un percorso alternativo promettente per il rilevamento molecolare "on demand", "dice Cognet, che non faceva parte del gruppo di ricerca.

I ricercatori hanno utilizzato un sistema automatizzato, procedura di prova ed errore assistita da robot per testare circa 30 nanotubi rivestiti di polimero contro tre dozzine di possibili bersagli, ottenendo tre colpi. Ora stanno lavorando a un modo per prevedere tali interazioni polimero-nanotubi in base alla struttura degli strati corona, utilizzando i dati generati da un nuovo tipo di microscopio che Landry ha costruito per visualizzare le interazioni tra le corone di nanotubi di carbonio e i loro bersagli.

"Cosa sta succedendo al polimero e alla fase corona è stato un po' un mistero, quindi questo è un passo avanti nell'ottenere più dati per affrontare il problema di come progettare un bersaglio per una molecola specifica, "dice Landry.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.