Strategia di intervento

Secondo la definizione introdotta dalla IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) nel 1999, un biosensore è un dispositivo completo ed integrato capace di fornire informazioni analitiche specifiche quantitative o semiquantitative usando un elemento di riconoscimento biologico in diretto contatto spaziale con un trasduttore. Un biosensore è, dunque, caratterizzato da due componenti: il bio-recettore ed il trasduttore. Il bio-recettore può essere costituito da: 1) una molecola biologica (p. es. enzimi, anticorpi, acidi nucleici); 2) un sistema vivente (microrganismi o cellule) oppure 3) un elemento biomimetico (acidi nucleici modificati, anticorpi ricombinanti, MIP “Molecular imprinted polymer” e frammenti di proteine). In seguito al riconoscimento di un analita ad opera del bio-recettore si verifica la generazione di un segnale misurabile. La particolarità dei biosensori è l’integrazione del bio-recettore con il trasduttore in un unico sistema, consentendo così la realizzazione di dispositivi miniaturizzati che effettuano analisi rapide, sensibili, affidabili ed economiche di qualsiasi tipo. A differenza delle tecniche analitiche, che spesso prevedono vari passaggi di trattamento del campione, i biosensori si caratterizzano per la semplicità d’uso e la velocità di esecuzione delle misure. Naturalmente, la semplificazione del metodo di misura e la minore necessità di manipolazione dei campioni diminuiscono il rischio di introduzione e propagazione di errori, garantendo una più alta ripetibilità della misura, anche da parte di personale poco esperto.

Una classe particolarmente interessante di trasduttori elettronici è rappresentata dai cristalli piezoelettrici (Quartz Crystal Microbalance, QCM)] (Figura 1a) ai quali all’elettrodo d’oro viene ancorato un bio-recettore rappresentato da un anticorpo monoclonale specifico per l’analita di interesse (Figura 1b), il quale viene successivamente posto a contatto con una soluzione contenente la sostanza o il composto da riconoscere e misurare (Figura 1c).

strategia

In questo modo è possibile ottenere un dispositivo in cui la variazione di frequenza è correlata al legame di molecole di interesse, ed è possibile misurare anche piccole variazioni di massa con una sensibilità dell’ordine di 1 nanogrammo. Il vantaggio dei trasduttori piezoelettrici consiste nella possibilità di osservare specifiche reazioni in modo diretto senza ricorrere ad operazioni di marcatura (labeling); infatti, nei sistemi classici, la rivelazione avviene in maniera indiretta, leggendo ad esempio l’intensità di un fluoroforo o l’emissione di un radioisotopo; in questo caso invece la misura è data direttamente dal “peso” delle molecole, senza marcature aggiuntive e quindi senza passaggi intermedi nei quali possono essere amplificati eventuali errori (sensori label-free). Inoltre, le misure di frequenza possono essere effettuate sia in aria sia in mezzo liquido.

Da quanto detto finora è evidente che lo sviluppo di sistemi biosensoristici comporta principalmente lo studio delle procedure con cui il bio-recettore può essere immobilizzato sulla superficie del sensore. Un’efficiente superficie sensibile (“sensing surface”) dovrebbe avere un’alta densità di molecole bioattive sulla superficie e stabili nel tempo, ed eventualmente permettere il riutilizzo del sistema sensoristico. Per quanto concerne i piezosensori QCM, la parte attiva su cui si fissano le molecole è rappresentata dagli elettrodi d’oro. Le procedure di immobilizzazione di biomolecole sull’oro includono differenti strategie, suddivisibili in due gruppi: 1) adsorbimento fisico-chimico, o adsorbimento passivo e 2) immobilizzazione covalente. Il primo metodo si basa su interazioni aspecifiche covalenti e non tra la molecola (ad esempio un anticorpo) e la superficie d’oro dell’elettrodo. Ha il vantaggio di essere veloce, semplice ed economico, ma presenta il problema di essere poco stabile, dato che il legame molecola-superficie è aspecifico, ma soprattutto non garantisce l’orientazione corretta della molecola legante. La seconda tecnica (immobilizzazione covalente) si basa su interazioni covalenti tra gruppi funzionali presenti tra la superficie e la molecola di interesse. Queste consentono un legame specifico e stabile, ma le procedure necessarie prevedono l’utilizzo di sostanze chimiche spesso tossiche, lunghi tempi di reazione, ottima conoscenza chimica delle cinetiche di reazione e della tossicità dei composti chimici organici, grande specializzazione del personale tecnico e, talvolta, tecnologie molto raffinate. Alla luce di queste considerazioni, è chiara, quindi, l’importanza di trovare metodologie innovative che consentano una funzionalizzazione più efficace e, soprattutto, più vantaggiosa sotto il profilo applicativo.