Substrati flessibili a basso costo per il rilevamento nanoplasmonico
Grazie alla loro capacità senza precedenti di concentrare la luce su scala nanometrica, le nanostrutture plasmoniche hanno svolto un ruolo significativo nel settore delle nanotecnologie, in particolare per quanto riguarda il loro uso in varie applicazioni di rilevamento. “L’assorbimento di nanoparticelle plasmoniche su substrati in un modo controllato è un processo fondamentale per la fabbricazione di dispositivi nanoplasmonici dove le nanoparticelle amplificano i campi elettromagnetici per migliorare le prestazioni del dispositivo,” afferma Luis Liz-Marzán, il coordinatore del progetto finanziato dall’UE PLASMAQUO. Il progetto PLASMAQUO è volto a sviluppare materiali nanostrutturati basati su nanoparticelle plasmoniche di oro come substrati per la rilevazione plasmonica dei processi di comunicazione tra le cellule viventi. “In particolare, ci siamo concentrati su una comunicazione batterica da cellula a cellula, detta quorum sensing, che si basa sulla produzione, sul rilascio e sulla rilevazione di piccole molecole di segnalazione che permettono ai batteri di monitorare il loro ambiente locale e la densità della popolazione,” spiega Liz-Marzán. Il quorum sensing è noto per regolare una vasta gamma di processi microbici fisiologici, compresa la virulenza e la formazione di biofilm batterici, che sono la più efficace forma di colonizzazione tra microbi. “Dato che il quorum sensing e i biofilm sono intimamente connessi alla patogenesi di varie malattie infettive persistenti, come la polmonite nella fibrosi cistica, è necessario lo sviluppo di nuove strategie per l’analisi non invasiva del quorum sensing nelle popolazioni batteriche viventi,” afferma Liz-Marzán. “La capacità di visualizzare questa forma di comunicazione chimica all’interno di popolazioni microbiche estenderà la nostra comprensione delle sue funzioni e può portare a nuove strategie terapeutiche anti-batteriche con relative applicazioni biomediche.” Oltre all’avanguardia I ricercatori del progetto hanno utilizzato la spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS), una tecnica analitica che si basa sulla generazione di alti campi elettrici sulla superficie delle nanoparticelle metalliche attraverso l’illuminazione in condizioni di risonanza plasmonica di superficie. Tuttavia, a causa delle limitazioni intrinseche della SERS, il rilevamento affidabile in complessi mezzi biologici è ancora difficile a causa del rumore di fondo da specie interferenti e dell’assorbimento non specifico di biomolecole che potrebbe ostacolare l’interazione di molecole target con la superficie su cui è attiva la SERS. Per superare questa sfida, PLASMAQUO ha ideato substrati plasmonici nanostrutturati come piattaforme per la coltivazione di colture batteriche e in loco, il rilevamento label-free (senza etichette) delle molecole di segnalazione celate verso il sensore plasmonico. Al fine di evitare la contaminazione del sensore ottico con altre biomolecole presenti nel mezzo di coltura, il team ha fabbricato materiali ibridi compatibili con le cellule costituiti da un componente plasmonico entro una matrice porosa. Questo funge da setaccio molecolare per limitare la diffusione verso le nanoparticelle metalliche. “PLASMAQUO è andato al di là dell’avanguardia nei campi della sintesi colloidale di nanoparticelle, degli studi del comportamento della fase colloidale e della comprensione dei meccanismi SERS per la progettazione di nanoparticelle plasmoniche nuove e altamente efficienti,” afferma Liz-Marzán. Spianare la strada Questo lavoro ha permesso ai ricercatori di dimostrare le prestazioni di diversi materiali plasmonici progettati appositamente per il rilevamento e l’imaging del quorum sensing in biofilm del patogeno umano opportunista Pseudomonas Aeruginosa. Secondo Liz-Marzán, il progetto ha spianato la strada per l’applicazione di sensori plasmonici in vari campi. Ad esempio, potrebbero essere incorporati in impianti, cateteri o dispositivi medicali impiantabili per monitorare una possibile infezione in modo non invasivo. “Data la resistenza dei biofilm batterici agli agenti chimici di pulizia, hanno un grande impatto su varie industrie,” aggiunge Liz-Marzán. “L’applicazione di sensori plasmonici per il rilevamento in loco mediante dispositivi portatili Raman potrebbe consentire la loro individuazione precoce e favorire la loro eliminazione.”
Parole chiave
PLASMAQUO, SERS, plasmonico, substrati nanostrutturati, strategia anti-batterica
