Antenne nanofotoniche svelano i meccanismi nanometrici delle malattie
Osservare i processi biologici nella cellula vivente rappresenta sostanzialmente il sacro Graal dei biologi molecolari e cellulari. Questi processi, che implicano l’interazione tra molecole su scala nanometrica, sono molto difficili da visualizzare con l’attuale tecnologia di imaging, e lo stesso vale anche per le interazioni tra proteine, acidi nucleici o enzimi. “Vi sono molti esempi delle limitazioni della tecnologia attuale,” afferma la dott.ssa Maria Garcia-Parajo, coordinatrice del progetto NANO-VISTA (Advanced photonic antenna tools for biosensing and cellular nanoimaging) e capogruppo alla ICFO, in Spagna. “Ad esempio, abbiamo una conoscenza limitata di come i recettori si organizzano nella membrana cellulare. Questa è una questione di importanza fondamentale dato che le cellule nel nostro corpo comunicano tra di loro e con il loro ambiente extracellulare mediante una moltitudine di recettori espressi sulla superficie della cellula, consentendo loro di portare a termine delle funzioni specialistiche.” Esistono inoltre delle prove relative al fatto che cambiamenti anormali nell’organizzazione e nelle dinamiche dei ricettori sulla superficie della cellula sono la fonte di un grandissimo numero di malattie come cancro, malattie neurologiche e neurodegenerative, malattie autoimmuni e infezioni patogene. “La visualizzazione in tempo reale di questi eventi che avvengono a livello nanometrico e su differenti scale temporali richiede delle tecniche di imaging con un livello altissimo di risoluzione,” prosegue la dott.ssa Garcia-Parajo. Una sorta di super risoluzione. La dott.ssa Garcia-Parajo e il suo team ritengono che la soluzione sia rappresentata dalle nanoantenne fotoniche, ovvero intensi punti caldi di illuminazione su scala nanoscopica che possono essere usati per ottenere un’immagine su una scala di circa 20nm e per esplorare le interazioni tra le molecole. Sebbene queste non siano l’unica via verso la super risoluzione, altre forme di microscopia con super risoluzione dipendono da etichette fluorescenti molto specifiche. Esse potrebbero pertanto non raggiungere l’intera gamma delle applicazioni biologiche, una limitazione che non interessa le antenne fotoniche. Inoltre, queste antenne possono essere usate in combinazione con altre tecniche, come ad esempio la spettroscopia a correlazione di fluorescenza, per fornire una risoluzione nell’ordine del microsecondo. Anche se la fisica delle nanoantenne era già ben controllata, NANO-VISTA è il primo tentativo di successo ad averle portate nel campo della biologia grazie a delle progettazioni innovative. La dott.ssa Garcia-Parajo descrive il processo che ha portato a questa svolta: “Noi abbiamo ideato delle nuove strade per la fabbricazione di schiere di antenne su grande scala, in modo da poter esaminare su scala nanoscopica multiple cellule facendo i conti con la loro innata eterogeneità. Lo abbiamo fatto considerando allo stesso tempo progettazioni che fornissero elevata riproducibilità delle prestazioni ottiche delle antenne, scalabilità per fabbricare migliaia di antenne in un singolo substrato, riusabilità e basso costo. Infine, abbiamo combinato queste nanostrutture con nuove forme di spettroscopia di fluorescenza per fornire non solo una risoluzione spaziale, ma anche soprattutto una risoluzione temporale ultra elevata.” I risultati delle dimostrazioni effettate nell’ambito del progetto sono stati eccezionali. Il team in particolare ha mostrato l’individuazione di singole biomolecole (DNA e differenti proteine) in volumi di illuminazione nell’ordine degli zeptolitri, ha potenziato il segnale di fluorescenza proveniente da singole molecole di oltre 105 volte rispetto all’emissione di una singola molecola quando eccitata da una convenzionale illuminazione confocale, ha svelato l’accoppiamento eccitonico in singoli complessi antenna, e ha collaborato con immunologi per fornire conoscenze relative ai processi di adesione e migrazione della cellula immune. Sono già state avviate varie collaborazioni con importanti attori industriali in tutto il mondo, in particolare negli Stati Uniti, India, Regno Unito e Spagna. Adesso nel mirino: la valorizzazione della tecnologia NANO-VISTA nella biologia della membrana cellulare e nella trasduzione del segnale cellulare, integrazione nei microscopi standard, o nelle piattaforme di controllo ad alto volume per il test rapido di specifici anticorpi, interazioni dei ligandi o persino di farmaci. Si stanno preparando prodotti secondari per la futura commercializzazione, anche se la piena commercializzazione di tutti i risultati del progetto presenta ancora qualche problema. “Il consorzio NANO-VISTA è pienamente attivo,” afferma con entusiasmo la dott.ssa Garcia Parajo. “NANO-VISTA ha fornito gli strumenti per scendere fino alla nanoscala con una risoluzione temporale nell’ordine del microsecondo. Adesso dobbiamo combinare queste informazioni con l’imaging su microscala e mesoscala di singole cellule e popolazioni di cellule. Speriamo che nuovi finanziamenti della Commissione europea ci permetteranno di realizzare questo sogno.”
Parole chiave
NANO-VISTA, fotonica, nanoantenna, molecole, cellula vivente, nano imaging, microscopia, biotecnologia, spettroscopia, antenne fotoniche, nanostruttura
