Biochip-Immagine: uno schermo rapido rileva frammenti di geni legati a matrici di scatole di silicio, ciascuna alta solo 500 nanometri e larga 600 nanometri. Credito JACK HU/STANFORD NANO-
I test rapidi COVID-19 hanno dato suscitato in molte persone un apprezzamento diretto per il valore della diagnostica rapida ed economica. Ora, i ricercatori hanno mostrato come condurre simultaneamente migliaia di screening molecolari rapidi, utilizzando la luce per identificare le molecole bersaglio intrappolate in cima a una serie di minuscoli blocchi di silicio. In teoria, lo strumento potrebbe essere utilizzato per individuare 160.000 diverse molecole in un singolo centimetro quadrato di spazio. Sviluppata per individuare frammenti genici del virus SARS-CoV-2 e altri organismi infettivi, la tecnologia dovrebbe anche essere in grado di identificare marcatori proteici del cancro e piccole molecole che segnalano minacce tossiche nell’ambiente.
“Questa tecnologia potrebbe avere un ruolo importante nel modo in cui rileviamo le cose nell’ambiente“, afferma Chris Scholin, biologo molecolare e presidente e CEO del Monterey Bay Aquarium Research Institute. “Lo strumento potrebbe anche essere utile nella diagnostica clinica”, aggiunge, “sebbene abbia già diverse tecnologie concorrenti già ampiamente utilizzate“.
I test genetici non sono una novità. La maggior parte di queste tecnologie si basa sulla misurazione dell’assorbimento o dell’emissione di luce da molecole sonda adattate per agganciarsi al gene bersaglio. Ma per produrre un segnale abbastanza grande da essere rilevato, la maggior parte delle tecnologie si affida a tecniche di amplificazione come la reazione a catena della polimerasi per produrre molte copie del bersaglio prima di tentare di rilevarle, aumentando il costo e il tempo dei test.
I ricercatori hanno ideato una varietà di tecnologie più sensibili. “Ma i sensori precedenti non sono stati in grado di rilevare un’ampia gamma di molecole bersaglio“, afferma Jennifer Dionne, fisica applicata presso la Stanford University.
Nella speranza di aggirare questi problemi, Dionne e i suoi colleghi si sono rivolti a un approccio di rilevamento ottico che si basa su metasuperfici, matrici di minuscole scatole di silicio – ciascuna alta circa 500 nanometri, lunga 600 nanometri e larga 160 nanometri – che focalizzano la luce nel vicino infrarosso sulla loro superficie superiore. Questa messa a fuoco rende facile per un semplice microscopio ottico rilevare lo spostamento nella lunghezza d’onda della luce proveniente da ciascun blocco di silicio, che varia a seconda delle molecole che si trovano sopra.
Per testare l’idea, i ricercatori hanno legato frammenti di geni a filamento singolo lunghi 22 nucleotidi alle scatole di silicio e hanno immerso l’array in una soluzione tampone. Quando hanno aggiunto i filamenti di DNA complementari alla soluzione, i filamenti si sono rapidamente legati a quelli legati, spostando la lunghezza d’onda della luce emessa dalla superficie di ciascuna scatola. Dionne e i suoi colleghi riferiscono che la loro configurazione potrebbe rilevare la presenza di appena 4000 copie di geni bersaglio per microlitro, un risultato che hanno pubblicato la scorsa settimana su Nature Communications.
Questa è una concentrazione tipicamente presente in un campione nasale di una persona infetta da SARS-CoV-2. “Quindi la tecnica potrebbe consentire ai medici di rilevare le infezioni virali senza dover prima amplificare il materiale genetico di un paziente”, dice Dionne. “Forse altrettanto importante”, osserva, “può essere progettato un array per rivelare quanto DNA bersaglio si è legato, rendendo possibile rilevare in pochi minuti non solo se è presente un particolare virus, ma quanto è intensa l’infezione. Tali informazioni potrebbero aiutare i medici a personalizzare i loro trattamenti. Anche i test attuali possono farlo, ma normalmente ci vogliono diverse ore per amplificare il materiale genetico e quantificare i risultati“.
Scholin sostiene che la tecnologia potrebbe trovare un uso diffuso più immediato nel tracciare le molecole al di fuori del laboratorio o dell’ufficio del medico. Ad esempio, gli scienziati ambientali attualmente utilizzano sonde genetiche per rilevare le alghe tossiche nei corsi d’acqua. Ma questo normalmente richiede fasi di elaborazione aggiuntive per amplificare i geni bersaglio e quindi testarne l’abbondanza, il che può richiedere ore, se non giorni, di lavoro di laboratorio.
“In quella situazione, la velocità della nuova tecnica potrebbe essere un punto di svolta“, dice Scholin. “Un’altra opzione allettante”, dice, “è legare gli anticorpi sopra le scatole di silicone. Ciò potrebbe consentire ai ricercatori di afferrare direttamente l’antigene corrispondente, sia esso una tossina o un marcatore proteico della malattia. Speriamo di utilizzare i questi rilevatori per rilevare le tossine microbiche nell’acqua, direttamente. Ciò avrebbe un impatto reale sulle persone, sull’ecologia e sulla fauna selvatica“.
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Dionne e i suoi colleghi hanno formato una società chiamata Pumpkinseed Bio per commercializzare i loro nuovi rilevatori, specificamente mirati a rilevare livelli minuscoli di proteine e altre molecole che non possono essere facilmente amplificate per renderle più facili da rilevare. E poiché sarebbe necessario solo un piccolo numero di blocchi di silicio per individuare le singole molecole bersaglio,i ricercatori dovrebbero essere in grado di creare array per tracciare contemporaneamente una moltitudine di biomarcatori della malattia. “Speriamo di esaminare molti stati patologici contemporaneamente“, afferma Jack Hu, ex studente laureato nel laboratorio di Dionne e capo della nuova startup.
