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Jul 23, 2023

Il nuovo sensore imita le funzioni della membrana cellulare

Le immagini per il download sul sito web dell'ufficio notizie del MIT sono messe a disposizione di enti non commerciali, stampa e pubblico in generale in base a Creative Commons Attribution Non-Commercial No Derivatives

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Traendo ispirazione dai sistemi sensoriali naturali, un team guidato dal MIT ha progettato un nuovo sensore in grado di rilevare le stesse molecole che i recettori cellulari presenti in natura possono identificare.

In un lavoro che combina diverse nuove tecnologie, i ricercatori hanno creato un prototipo di sensore in grado di rilevare una molecola immunitaria chiamata CXCL12, fino a decine o centinaia di parti per miliardo. Questo è un primo passo importante verso lo sviluppo di un sistema che potrebbe essere utilizzato per eseguire screening di routine per tumori difficili da diagnosticare o tumori metastatici, o come un “naso elettronico altamente biomimetico”, affermano i ricercatori.

“La nostra speranza è quella di sviluppare un dispositivo semplice che consenta di eseguire test a casa, con elevata specificità e sensibilità. Quanto prima si individua il cancro, migliore è il trattamento, quindi la diagnosi precoce del cancro è un'area importante in cui vogliamo entrare”, afferma Shuguang Zhang, uno dei principali ricercatori del Media Lab del MIT.

Il dispositivo trae ispirazione dalla membrana che circonda tutte le cellule. All'interno di tali membrane ci sono migliaia di proteine ​​​​recettrici che rilevano le molecole nell'ambiente. Il team del MIT ha modificato alcune di queste proteine ​​in modo che potessero sopravvivere al di fuori della membrana e le ha ancorate in uno strato di proteine ​​cristallizzate sopra una serie di transistor al grafene. Quando la molecola target viene rilevata in un campione, questi transistor trasmettono le informazioni a un computer o smartphone.

Questo tipo di sensore potrebbe potenzialmente essere adattato per analizzare qualsiasi fluido corporeo, come sangue, lacrime o saliva, dicono i ricercatori, e potrebbe individuare molti bersagli diversi contemporaneamente, a seconda del tipo di proteine ​​​​recettrici utilizzate.

"Identifichiamo i recettori critici dei sistemi biologici e li ancoriamo a un'interfaccia bioelettronica, permettendoci di raccogliere tutti quei segnali biologici e poi tradurli in output elettrici che possono essere analizzati e interpretati da algoritmi di apprendimento automatico", afferma Rui Qing, un ex Scienziato ricercatore del MIT che ora è professore associato presso l'Università Jiao Tong di Shanghai.

Qing e Mantian Xue PhD '23 sono gli autori principali dello studio, apparso oggi su Science Advances. Insieme a Zhang, sono autori senior Tomás Palacios, direttore del Microsystems Laboratory del MIT e professore di ingegneria elettrica e informatica, e Uwe Sleytr, professore emerito presso l'Istituto di bioarchitettura sintetica dell'Università delle risorse naturali e delle scienze della vita di Vienna della carta.

Privo di membrane

La maggior parte dei sensori diagnostici attuali si basa su anticorpi o aptameri (brevi filamenti di DNA o RNA) in grado di catturare una particolare molecola bersaglio da un fluido come il sangue. Tuttavia, entrambi questi approcci presentano dei limiti: gli aptameri possono essere facilmente degradati dai fluidi corporei e la produzione di anticorpi in modo che ogni lotto sia identico può essere difficile.

Un approccio alternativo che gli scienziati hanno esplorato è la costruzione di sensori basati sulle proteine ​​recettori presenti nelle membrane cellulari, che le cellule utilizzano per monitorare e rispondere al loro ambiente. Il genoma umano codifica migliaia di tali recettori. Tuttavia, è difficile lavorare con queste proteine ​​recettoriali perché, una volta rimosse dalla membrana cellulare, mantengono la loro struttura solo se sospese in un detergente.

Nel 2018, Zhang, Qing e altri hanno segnalato un nuovo modo per trasformare le proteine ​​idrofobiche in proteine ​​solubili in acqua, sostituendo alcuni amminoacidi idrofobi con amminoacidi idrofili. Questo approccio è chiamato codice QTY, dalle lettere che rappresentano i tre amminoacidi idrofili – glutammina, treonina e tirosina – che prendono il posto degli amminoacidi idrofobici leucina, isoleucina, valina e fenilalanina.