Aleksandra Radenovic, responsabile del Laboratorio di Biologia su Nanoscala della Facoltà di Ingegneria, lavora da anni per migliorare la tecnologia dei nanopori, che prevede il passaggio di una molecola come il DNA attraverso un minuscolo poro in una membrana per misurare una corrente ionica. Gli scienziati possono determinare la sequenza dei nucleotidi del DNA - che codificano le informazioni genetiche - analizzando il modo in cui ciascuno di essi interrompe la corrente al suo passaggio.
Attualmente, il passaggio delle molecole attraverso un nanoporo e la tempistica della loro analisi dipendono da forze fisiche casuali, e il rapido movimento delle molecole rende difficile ottenere un’elevata precisione analitica. Aleksandra Radenovic ha già affrontato questi problemi utilizzando pinzette ottiche e liquidi viscosi. La collaborazione con Georg Fantner e il suo team del Laboratorio di bio- e nano-strumentazione dell’EPFL ha fornito la svolta che cercava, con risultati che potrebbero andare ben oltre il DNA.
"Abbiamo combinato la sensibilità dei nanopori con la precisione della microscopia a scansione della conduttanza ionica (SICM), permettendoci di osservare da vicino molecole e posizioni specifiche e di controllare la loro velocità di movimento. Questo controllo potrebbe contribuire a colmare un’importante lacuna in questo campo", afferma Aleksandra Radenovic.
I ricercatori hanno raggiunto questa maestria utilizzando un microscopio a scansione di conduttanza ionica all’avanguardia, sviluppato di recente presso il Bio and Nano-instrumentation Laboratory. Questo nuovo approccio è stato recentemente pubblicato su Nature Nanotechnology.
Precisione di rilevamento migliorata di due ordini di grandezza
L’inaspettata collaborazione tra i laboratori è stata avviata dal dottorando Samuel Leitão. La sua ricerca si concentra sulla SICM, in cui le variazioni della corrente ionica che scorre attraverso la punta di una sonda vengono utilizzate per produrre dati di immagine 3D ad alta risoluzione. Per il suo dottorato, Samuel Leitão ha sviluppato e applicato la tecnologia SICM all’imaging di strutture cellulari su scala nanometrica, utilizzando un nanoporo di vetro come sonda. Nel suo recente lavoro, il team ha utilizzato la precisione di una sonda SICM per muovere le molecole attraverso un nanoporo, anziché lasciarle diffondere in modo casuale.Chiamata spettroscopia di conduttanza ionica a scansione (SICS), questa innovazione rallenta il flusso delle molecole attraverso il nanoporo, consentendo di effettuare migliaia di letture consecutive della stessa molecola, o anche di parti diverse della molecola. La capacità di controllare la velocità di circolazione e di calcolare la media di diverse letture della stessa molecola ha aumentato il rapporto segnale/rumore di due ordini di grandezza rispetto ai metodi convenzionali.
"L’aspetto particolarmente interessante è che questa maggiore capacità di rilevamento con SICS può essere trasferita ad altri metodi biologici e a nanopori allo stato solido, il che potrebbe migliorare significativamente le applicazioni diagnostiche e di sequenziamento", spiega Samuel Leitão.
Georg Fantner riassume la logica dell’approccio con un’analogia automobilistica: "Immaginate di osservare le auto che vanno avanti e indietro mentre siete davanti a una finestra. È molto più facile leggere le targhe se le auto rallentano e passano più volte", dice. "Allo stesso modo, possiamo decidere di misurare ogni volta 1.000 molecole diverse o la stessa molecola 1.000 volte, il che rappresenta un vero e proprio cambiamento di paradigma in questo campo".
Questa precisione e versatilità significa che l’approccio potrebbe essere applicato a molecole diverse dal DNA, come i blocchi proteici chiamati peptidi, che potrebbero contribuire a far progredire la proteomica e la ricerca biomedica e clinica.
"Trovare una soluzione per il sequenziamento dei peptidi è stata una sfida importante a causa della complessità delle loro ’targhette’, che sono composte da 20 caratteri (aminoacidi), a differenza dei quattro nucleotidi del DNA", afferma Aleksandra Radenovic. "Per me la speranza più grande è che questa nuova maestria possa aprire la strada al sequenziamento dei peptidi".
