Il gruppo dell’Università di Bari coordinato da Luisa Torsi racconta il riconoscimento in soluzione a concentrazioni di decine di picomoli per litro e le verifiche necessarie per passare al monitoraggio degli odoranti in aria
Come si può trasformare l’interazione tra una proteina e una molecola odorante in un segnale misurabile? E quali passaggi separano un esperimento in soluzione da un sensore per le emissioni in aria?
Pubblichiamo il contributo del gruppo di ricerca dell’Università degli Studi di Bari Aldo Moro coordinato dalla professoressa Luisa Torsi, direttrice del Dipartimento di Chimica. Al centro, l’impiego delle OBP, le proteine che legano le molecole odoranti, come elementi di riconoscimento nei sensori elettronici a transistor.
Come avete utilizzato le OBP come elementi di riconoscimento nei sensori elettronici a transistor?
Abbiamo immobilizzato una variante di OBP suina sulla superficie d’oro del gate, l’elettrodo che controlla la corrente di un transistor. La proteina costituiva così lo strato di riconoscimento a contatto con la soluzione.
Quando il carvone si legava alle OBP, modificava le proprietà elettriche dello strato, in particolare la sua capacità elettrica, producendo una variazione misurabile della corrente. Abbiamo quindi collegato il riconoscimento molecolare a una lettura elettronica, senza utilizzare marcatori. Il transistor, basato su un semiconduttore organico, permetteva di rendere misurabili variazioni molto piccole associate all’interazione tra la proteina e la molecola odorante.
Che cosa avete dimostrato distinguendo in soluzione i due enantiomeri del carvone?
Nel nostro lavoro, pubblicato su Nature Communications nel 2015, abbiamo mostrato che le due forme del carvone generavano risposte elettroniche distinguibili anche a concentrazioni molto basse, nell’ordine delle decine di picomoli per litro.
Il risultato dimostra che piccole differenze nell’interazione tra una proteina e due molecole speculari possono essere trasferite alla risposta di un dispositivo elettronico. È particolarmente interessante perché il carvone è una molecola elettricamente neutra. In questo caso, la lettura sfruttava le variazioni della capacità elettrica dello strato proteico, legate alle sue proprietà dielettriche e alla sua organizzazione molecolare. L’esperimento ci ha quindi offerto anche uno strumento per studiare le interazioni alla base del riconoscimento.
Quali difficoltà comporta integrare il riconoscimento biologico in un dispositivo elettronico?
La prima difficoltà è conservare la funzione della proteina dopo averla immobilizzata. Una proteina deve mantenere una struttura adeguata e una cavità di legame accessibile: il modo in cui viene ancorata alla superficie, il suo orientamento e la densità dello strato possono influenzarne il comportamento.
Occorre poi controllare l’ambiente in cui opera, comprese idratazione, temperatura e condizioni chimiche. Anche l’interfaccia elettronica deve essere stabile, affinché variazioni del fondo o interazioni indesiderate non vengano interpretate come riconoscimento del composto cercato.
Dal punto di vista dello sviluppo tecnologico, considero centrali la riproducibilità e la durata: dobbiamo ottenere dispositivi diversi con prestazioni confrontabili e capire come queste evolvano nel tempo. È proprio nella progettazione e nel controllo dell’interfaccia tra la componente biologica e quella elettronica che si gioca una parte decisiva dell’affidabilità del sensore.
Come potrebbe questo approccio aiutare a identificare un composto in presenza di sostanze interferenti e quali passaggi servono per applicarlo al monitoraggio ambientale?
Una proteina opportunamente scelta può interagire con il composto cercato in modo diverso rispetto alle sostanze interferenti. Questa differenza può tradursi in una risposta elettronica riconoscibile. Una prospettiva che ritengo interessante è affiancare più sensori funzionalizzati con proteine diverse e interpretarne la risposta complessiva, seguendo il principio combinatorio dell’olfatto.
Per arrivare al monitoraggio ambientale servono verifiche specifiche. Occorre innanzitutto individuare i composti di interesse e studiare il riconoscimento nelle miscele, includendo interferenti presenti anche a concentrazioni molto superiori. Bisogna poi progettare il campionamento dell’aria e il trasferimento degli odoranti all’interfaccia biologica, controllando l’effetto dell’umidità e della temperatura. Il passaggio dalle misure in soluzione al rilevamento in aria richiede quindi un lavoro dedicato.
Infine, le prestazioni devono essere valutate su campioni reali, misurando tempi di risposta, stabilità, riproducibilità e frequenza degli errori, attraverso il confronto con metodi analitici di riferimento. Quando l’obiettivo è valutare l’impatto odorigeno complessivo, sarà necessario anche collegare le misure alla percezione della miscela: la concentrazione di un singolo composto, da sola, non descrive tutta l’esperienza olfattiva.
La prospettiva è sviluppare strumenti che, attraverso il riconoscimento biochimico, forniscano informazioni più selettive sulla composizione delle emissioni, utili per riconoscerne l’origine e seguirne le variazioni nel tempo.
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*Il gruppo di ricerca dell’Università degli Studi di Bari Aldo Moro, coordinato dalla professoressa Luisa Torsi, sviluppa biosensori integrando riconoscimento molecolare, scienza delle superfici e dispositivi elettronici.
Il lavoro sulle OBP è nato dalla collaborazione con il professor Krishna Persaud e il suo gruppo dell’Università di Manchester, che ha curato la produzione e la purificazione delle proteine, e con Mohammad Yusuf Mulla, all’epoca dottorando della professoressa Torsi. La ricerca è stata sostenuta dal progetto europeo FlexSMELL, coordinato da Torsi tra il 2010 e il 2013. L’obiettivo era sviluppare sistemi di olfatto artificiale su supporti flessibili, a basso costo e basso consumo, compatibili con una lettura wireless, soprattutto per il monitoraggio della qualità e della freschezza degli alimenti attraverso imballaggi intelligenti. Il progetto aveva anche una forte componente di formazione di giovani ricercatori in un contesto internazionale e interdisciplinare.
Oggi il gruppo si occupa soprattutto di dispositivi per la rivelazione di biomarcatori a concentrazioni estremamente basse, con prospettive di applicazione nella diagnostica precoce. L’esperienza sulle OBP è stata fondamentale per questo percorso: ha permesso ai ricercatori di imparare a controllare l’interfaccia tra proteine ed elettronica e a trasformare interazioni molecolari molto deboli in segnali misurabili. Sono competenze che il gruppo continua a sviluppare per combinare capacità di rivelazione, selettività e affidabilità nei propri biosensori.
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