Sviluppati sensori basati su biopolimeri che si illuminano quando sono presenti pericoli derivati da batteri, tossine, sostante chimiche e possono essere stampati su quasi qualsiasi cosa
Gli interruttori proteici progettati de novo sono strumenti potenti per rilevare in modo specifico e sensibile diversi target con semplici letture chemiluminescenti. Trovare un ospite materiale appropriato per gli interruttori proteici, progettati de novo senza alterarne la termodinamica preservandone al tempo stesso la stabilità intrinseca nel tempo, consentirebbe lo sviluppo di una varietà di formati di rilevamento per monitorare l’esposizione ad agenti patogeni, tossine e per la diagnosi di malattie.
I ricercatori della Tufts School of Engineering hanno sviluppato un modo per rilevare batteri, tossine e sostanze chimiche pericolose nell'ambiente utilizzando un sensore in biopolimero che può essere stampato come inchiostro su un'ampia gamma di materiali, compresi oggetti indossabili come guanti, maschere o oggetti di uso quotidiano.
Utilizzando un enzima simile a quello presente nelle lucciole, il sensore si illumina quando rileva queste minacce altrimenti invisibili. La nuova tecnologia è descritta nella rivista Advanced Materials (1).
Il sensore in biopolimero, che si basa su proteine progettate computazionalmente e fibroina di seta estratte dai bozzoli della falena della seta Bombyx Mori, può anche essere incorporato in pellicole, spugne e filtri o modellato come plastica per campionare e rilevare pericoli presenti nell'aria e nell'acqua, o usato per segnalare infezioni o addirittura cancro nel nostro corpo.
I ricercatori hanno dimostrato come il sensore emetta luce in pochi minuti mentre rileva un qualsiasi virus, gli anticorpi del virus anti-epatite B, la tossina botulinica di origine alimentare, la neurotossina B o il recettore 2 del fattore di crescita epidermico umano 2 (HER2), un indicatore della presenza di cancro al seno.
Attualmente, i sensori richiedono uno spruzzo rapido con una sostanza chimica non tossica dopo essere stati potenzialmente esposti a batteri, tossine e sostanze chimiche pericolose. Se il bersaglio è presente, il sensore genera luce. L'intensità della luce emessa fornisce una misura quantitativa della concentrazione del bersaglio.
Il dottor Fiorenzo Omenetto (2), Frank C. professore di ingegneria e direttore scientifico del Tufts Silklab (3), sostiene che «La combinazione di proteine progettate in laboratorio e seta costituisce una piattaforma di sensori che può essere adattata per rilevare un'ampia gamma di agenti chimici e biologici con un elevato grado di specificità e sensibilità. Ad esempio, gli anticorpi SARS-CoV-2 e anti-epatite B possono essere misurati a livelli che si avvicinano ai test domiciliari».
L'elemento sensibile è modulare, quindi gli sviluppatori possono scambiare proteine di nuova concezione per catturare specifici agenti patogeni o molecole da misurare, mentre il meccanismo di emissione della luce rimane lo stesso. «Utilizzando il sensore, possiamo rilevare tracce di un Coronavirus nell’aria, oppure possiamo immaginare di modificarlo per adattarlo a qualunque possa essere la prossima minaccia per la salute pubblica», ha affermato Omenetto.
Ha notato che, sebbene sia in una fase concettuale, l'applicazione per individuare il cancro al seno è particolarmente interessante. Il suo team ha creato un cuscinetto per reggiseno in silicone che, una volta indossato, può assorbire il fluido secreto, segnalare i livelli dell'ormone HER2 e fornire un'indicazione se può essere presente un cancro al seno.
«Sebbene saranno necessari ulteriori sviluppi per migliorare e convalidare clinicamente il test, l’opportunità di tale diagnostica negli indumenti di uso quotidiano è certamente interessante», ha affermato Omenetto.
I sensori possono assumere una varietà apparentemente infinita di forme. Per dimostrarlo, il gruppo di ricerca ha creato droni di rilevamento virale in cui la loro fusoliera era incorporata con il materiale del sensore. Durante il volo, le eliche dirigono il flusso d'aria attraverso il corpo poroso del drone, che può essere esaminato dopo l'atterraggio. I droni, che nell’esempio hanno reagito ad agenti patogeni presenti nell’aria, potrebbero consentire il monitoraggio degli ambienti da una distanza remota e di sicurezza.
Serratura e meccanismo a chiave
Il componente attivo del sensore in biopolimero, sviluppato dal dottor David Baker (4), Henrietta e Aubrey Davis Endowed Professor in Biochimica presso l'Institute for Protein Design dell'Università di Washington, è un interruttore molecolare costituito da proteine che agiscono come una serratura e una chiave, ma con una copertura.
Quando un virus, una tossina o un'altra molecola bersaglio si avvicina, si lega all'interruttore e apre il coperchio. Un'altra parte dell'interruttore, una chiave molecolare, può quindi essere inserita nella serratura e la combinazione forma un enzima luciferasi completo, simile all'enzima che illumina le lucciole. Maggiore è la quantità di virus, tossine o altre sostanze chimiche che si legano al sensore, più luminoso sarà il bagliore.
L’interruttore molecolare è incorporato in una miscela di proteine derivate dai bozzoli di seta, chiamata fibroina di seta. La fibroina della seta è il componente inattivo del sensore del biopolimero, ma ha caratteristiche uniche, tra cui la capacità di essere lavorata e prodotta utilizzando metodi sicuri a base d'acqua e una notevole versatilità per essere fabbricata in diversi materiali, come pellicole, spugne, tessili, o dispersi su superfici attraverso una stampante a getto d'inchiostro. Inoltre, la fibroina della seta stabilizza l'interruttore molecolare e ne prolunga notevolmente la durata.
Questi sensori in biopolimeri rappresentano un grande passo avanti rispetto ad altri approcci alla misurazione di agenti patogeni o sostanze chimiche nell’ambiente, che spesso si basano su componenti biologici che si degradano rapidamente e richiedono un’attenta conservazione. Inoltre, i sensori non dipendono da componenti elettronici che possono essere difficili da integrare in materiali indossabili flessibili.
Durata di conservazione estesa
I ricercatori del Tufts hanno testato la durata di conservazione dei materiali incorporati con i sensori SARS-CoV-2 dopo averli conservati a 60 gradi Celsius per quattro mesi e hanno riscontrato pochissimi cambiamenti nelle prestazioni. Il sensore del cancro al seno a forma di spugna è stato conservato sullo scaffale a temperatura ambiente per un anno e ha funzionato ancora vicino alla sua sensibilità originale.
«Ciò significa che possiamo produrre, distribuire e conservare queste interfacce di rilevamento per lunghi periodi di tempo senza perdere la loro sensibilità o precisione e senza la necessità di conservazione refrigerata, il che è notevole dato che sono costituite da proteine», ha affermato la dottoressa Luciana d’Amone (5), una studentessa laureata del laboratorio di Omenetto che ha co-guidato il progetto con la dottoressa Giusy Matzeu (6), professoressa di ricerca presso il Silklab di Tufts.
Questo approccio potrebbe rendere i sensori ampiamente disponibili in diversi formati. «Ad esempio, si potrebbero realizzare maschere chirurgiche in grado di rilevare agenti patogeni, confezionarle in scatole e utilizzarle nel tempo proprio come le maschere convenzionali», ha affermato d’Amone. «Abbiamo anche dimostrato che è possibile stampare il sensore all’interno dell’imballaggio alimentare per monitorare il deterioramento e le tossine. Puoi modificare tanti prodotti che utilizziamo ogni giorno per includere il rilevamento, conservarli e utilizzarli come faresti normalmente».
Il team di ricerca di Tufts prevede applicazioni per i sensori di biopolimeri che vanno dal monitoraggio personale e dei pazienti e il controllo delle infezioni in contesti sanitari al rilevamento ambientale in ambienti domestici, lavorativi, militari e in caso di catastrofi.
«Elaborare concetti di prodotto che potrebbero finire ovunque nella nostra vita è un tema comune per SilkLab», ha affermato il dottor Bernard Arulanandam, PhD, MBA (7), vicerettore per la ricerca presso Tufts, sottolineando che SilkLab ha sviluppato di tutto, dai rivestimenti per aumentare la durata di conservazione dei prodotti, ai prodotti antiaderenti superfici, pelle artificiale e persino dispositivi medici impiantabili che possono dissolversi in modo sicuro nel tempo. «SilkLab è stato un motore di innovazione senza sosta qui a Tufts».
Riferimenti:
(3) Tufts Silklab
(4) David Baker
(5) Luciana d’Amone
(6) Giusy Matzeu
Descrizione foto: Un sensore incorporato in un drone. - Credit: Per gentile concessione di Silklab.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Wearable, Printable, Shapeable Sensors Detect Pathogens and Toxins in the Environment