Dalle forme speculari del carvone alle proteine che legano gli odoranti: il gruppo dell’Università di Bari coordinato da Luisa Torsi spiega come migliorare la selettività dei dispositivi e perché l’affidabilità delle risposte resta una sfida decisiva.
Distinguere una molecola odorante da altre sostanze chimicamente simili è una delle sfide nello sviluppo dei sensori per gli odori. L’olfatto biologico offre indicazioni preziose, ma trasferirne i meccanismi in un dispositivo richiede anche risposte stabili e riproducibili.
A queste domande risponde il gruppo di ricerca dell’Università degli Studi di Bari Aldo Moro (*) coordinato dalla professoressa Luisa Torsi, direttrice del Dipartimento di Chimica. Nell’intervista, i ricercatori spiegano come funzionano il riconoscimento degli odoranti e le proteine che li legano, quali indicazioni offrono per costruire sensori biomimetici e perché l’elaborazione dei dati deve partire da segnali stabili e riproducibili. Un percorso che collega gli studi sull’olfatto artificiale per gli imballaggi intelligenti allo sviluppo di biosensori per la diagnostica precoce.
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Che cosa significa rendere un sensore selettivo e perché è difficile distinguere molecole odoranti chimicamente simili?
“Rendere un sensore selettivo significa permettergli di riconoscere una determinata sostanza anche quando è presente insieme a molte altre. La selettività riguarda quindi la capacità di attribuire correttamente il segnale alla sostanza che interessa. La sensibilità descrive quanto varia il segnale al variare della concentrazione, mentre il limite di rivelazione indica la quantità minima che possiamo distinguere dal fondo con sufficiente affidabilità.
Le molecole odoranti sono spesso piccole e condividono dimensioni, gruppi funzionali e proprietà fisiche con numerose altre molecole. Un materiale o un dispositivo sensibile può quindi rispondere in modo simile a sostanze diverse. La difficoltà aumenta nelle miscele e nei campioni reali, dove un composto presente in grande quantità può interferire con il riconoscimento di quello da rivelare che puo’ essere molto meno abbondante. Per migliorare la selettività dobbiamo progettare interazioni capaci di discriminare anche differenze molecolari molto piccole”.
Come riesce il nostro naso a riconoscere queste differenze?
“Il nostro olfatto utilizza una strategia combinatoria. Uno stesso recettore olfattivo — una proteina dalla precisa struttura tridimensionale, inserita in un complesso sistema di signaling cellulare — può rispondere a più molecole odoranti, mentre una stessa molecola può attivare diversi tipi di recettori, con intensità differenti.
Nei mammiferi questi recettori si trovano sulle ciglia dei neuroni olfattivi, immerse nel muco che riveste l’epitelio nasale. Le molecole odoranti raggiungono i recettori passando dall’aria a questo sottile strato acquoso. Ogni odorante genera una particolare combinazione di risposte, un pattern, che il sistema nervoso elabora e interpreta. Anche una piccola variazione della struttura molecolare può modificare questa combinazione e produrre una percezione diversa.
L’insegnamento per la sensoristica è molto interessante: possiamo combinare elementi di riconoscimento con affinità diverse e leggere l’insieme delle loro risposte. La qualità del riconoscimento dipende quindi sia dalle interazioni chimiche sulla superficie sensibile sia dalla capacità di interpretare i segnali ottenuti.
C’è però un requisito fondamentale, spesso sottovalutato quando si cerca di imitare questo meccanismo che Madre Natura realizza così efficacemente: la riproducibilità. Anche se un elemento di riconoscimento risponde a più sostanze, a parità di concentrazione e di condizioni sperimentali la sua risposta deve essere sufficientemente stabile e riproducibile. Inoltre, le differenze tra i pattern generati da sostanze diverse devono rimanere distinguibili rispetto alla variabilità delle misure.
Ottenere queste caratteristiche nei sistemi artificiali è una sfida molto critica. Un’elaborazione sofisticata dei dati richiede comunque segnali che contengano informazioni affidabili: se le risposte cambiano in modo incontrollato, viene compromessa la possibilità di riconoscere correttamente le sostanze”.
Perché le due forme speculari del carvone producono odori diversi e che cosa ci insegna questo esempio?
“Il carvone esiste in due forme speculari, chiamate enantiomeri: possiamo immaginarle come una mano destra e una mano sinistra, uguali nella composizione ma non sovrapponibili, neppure mediante rotazioni nello spazio. Questa proprietà si chiama chiralità. L’enantiomero R-(−) del carvone ha il caratteristico odore della menta verde, mentre l’S-(+) richiama il carvi, o cumino dei prati.
Le proteine che riconoscono gli odoranti hanno anch’esse una struttura tridimensionale chirale. Le due forme del carvone possono quindi interagire diversamente con le loro cavità di legame, attivando risposte recettoriali differenti. Studi sul recettore olfattivo umano OR1A1 hanno individuato componenti della sua struttura coinvolte proprio in questa discriminazione.
La rilevanza della chiralità è stata sottolineata anche dal Nobel per la Chimica 2026, assegnato a Henri B. Kagan e Kenso Soai per la scoperta degli effetti non lineari e dell’autocatalisi nella sintesi organica asimmetrica: fenomeni che consentono di favorire e amplificare la formazione di una delle due forme speculari di una molecola.
Il carvone mostra quanto conti la disposizione spaziale degli atomi. Alla selettività contribuiscono anche altri fattori, come la distribuzione delle cariche, la possibilità di formare legami a idrogeno e le interazioni idrofobiche. Due molecole di forma simile possono differire proprio in questi aspetti. Per distinguerle, il sensore deve possedere un elemento di riconoscimento capace di cogliere tali differenze”.
Quali ruoli svolgono i recettori olfattivi e le odorant-binding proteins, e come possono ispirare lo sviluppo dei sensori?
“I recettori olfattivi sono proteine presenti sulla membrana dei neuroni sensoriali: l’interazione con gli odoranti avvia i processi che generano il segnale nervoso. Le odorant-binding proteins, o OBP, sono proteine solubili capaci di legare le molecole odoranti e di contribuire al loro trasporto e alla loro disponibilità nel sistema olfattivo.
Nei mammiferi possono favorirne il trasferimento attraverso il muco, un ambiente acquoso nel quale molte sostanze odoranti, essendo idrofobiche, sono poco solubili. Il loro contributo preciso ai diversi passaggi della percezione olfattiva resta oggetto di ricerca.
Per noi queste proteine rappresentano una fonte di ispirazione e possibili componenti dei dispositivi. L’idea è utilizzare la loro capacità di interagire con determinate molecole e collegarla a un sistema elettronico che trasformi l’interazione in un segnale misurabile. Si può così costruire un sensore biomimetico nel quale riconoscimento biologico e lettura elettronica lavorano insieme”.
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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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