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Fiutare le malattie con un naso artificiale

Ispirandosi all’olfatto delle zanzare, l’università di Tokyo ha sviluppato un sistema di sensori in grado di riconoscere piccolissime quantità di un possibile biomarcatore di alcuni tumori.

Se nelle sere d’estate una zanzara ci insegue, è grazie al suo “fiuto, capace di captare molecole del nostro odore a distanze considerevoli. Ciò avviene grazie a recettori estremamente sensibili, che riconoscono anche una singola molecola di una data sostanza tra milioni. È a questa straordinaria abilità che si sono ispirati i ricercatori di un gruppo di esperti in sistemi bioibridi (cioè in parte naturali e in parte artificiali) dell’Università di Tokyo, per sviluppare un nuovo sistema olfattivo artificiale. Una sorta di “naso”, somigliante di fatto a una piccola scatola dotata di microchip, che impiega sensori biologici e sistemi artificiali in simultanea.

Il dispositivo dell’università nipponica, oggetto di un articolo pubblicato a inizio anno sulla rivista Science Advances, è in grado di captare la presenza di una precisa sostanza anche quando è solo una parte su un miliardo, e di inviare un segnale di conseguenza. Aprendo le porte a importanti applicazioni, come per esempio la diagnosi delle malattie: sensori di questo tipo, infatti, potrebbero essere impiegati per riconoscere non solo eventuali sostanze tossiche nell’ambiente, ma anche i prodotti del metabolismo emessi dal corpo e dal respiro di pazienti affetti da tumore.

 Imitare la natura

 Nel sistema olfattivo della zanzara, i recettori reagiscono alle molecole trasportate dalle goccioline d’acqua in sospensione, emessi dagli altri organismi, i cosiddetti “droplet” (termine che ormai conosciamo come principale veicolo di trasmissione di SARS-CoV-2, il virus responsabile di Covid-19). In particolare, quando una specifica molecola entra in contatto col recettore, questo altera la propria forma, generando uno “squilibrio” sui due lati della membrana cellulare. Tale squilibrio dà subito il via al cosiddetto impulso elettrico, attraverso il quale viaggiano i segnali legati – in questo caso – all’olfatto.

A oggi, questi tipi di recettori olfattivi naturali sono di gran lunga superiori, per capacità di discriminazione, a quelli artificiali. Per questo gli scienziati provano a imitarne il funzionamento. Nello specifico, nel corso del loro studio, i ricercatori dell’Università di Tokyo hanno deposto due gocce d’acqua con sostanze organiche disciolte su una piastrina in due piccole camere attigue. Per separare le sostanze l’una dall’altra, hanno utilizzato una membrana cellulare artificiale dotata di micropori, dove hanno sede i recettori. Le molecole bersaglio, quelle che devono essere individuate dai recettori, sono trasportate tramite un gas dentro una delle due camere, per favorirne la diffusione all’interno delle goccioline. Quando stimolato dalla molecola bersaglio, il microporo della membrana artificiale su cui si trova anche il recettore si apre, e una corrente elettrica si crea tra i due droplet.
Nel dispositivo sono stati sistemati sedici sistemi di recettori progettati in questo modo, nel tentativo di aumentare la capacità dell’intero sistema di individuare la molecola bersaglio. Dopo dieci minuti di esposizione, la molecola è stata identificata nel 92 per cento dei casi.

Diagnosticare le malattie dall’odore

Gli odori sono impronte chimiche che ci permettono di ottenere molte informazioni sull’ambiente in cui ci troviamo o muoviamo. A nostra volta, l’odore del nostro corpo, che può essere colto da altri o da recettori come quelli messi a punto in questa ricerca, può variare a seconda della nostra alimentazione o del nostro stato di salute. Al caratteristico odore di sudore pungente contribuiscono, per esempio, certi batteri, ma a essere oggetto di studio sono in particolare i cosiddetti composti organici volatili (chiamati Voc dagli scienziati), molecole che emergono nel corso dei processi del nostro metabolismo. Alcuni ricercatori pensano che i Voc possano fungere da “spie” dell’iniziale presenza di tumori o altre malattie e condizioni, come per esempio il morbo di Parkinson e l’ipossia.

I ricercatori dell’Università di Tokyo hanno messo alla prova il loro sistema olfattivo bioibrido utilizzando in particolare l’1-otten-3-olo, un alcol detto anche “aroma fungino” che si può trovare nel nostro sudore, nel sangue e nel respiro ed è un possibile biomarcatore della presenza di alcuni tipi di tumore. In pratica hanno raccolto il fiato dei singoli pazienti in un’apposita sacca, introducendovi di proposito una piccolissima quantità dell’alcol, per poi pompare il tutto all’interno del sistema di recettori appena sviluppato. Il dispositivo è stato in grado di rintracciare la presenza di 1-otten-3-olo miscelato all’interno del respiro anche quando era di sole 0,5 parti per miliardo, dimostrando una grande sensibilità.

Ciò nonostante, tale sensibilità rimane ancora migliaia di volte inferiore rispetto a quella del naso, per esempio, di animali noti per il loro fiuto, come il cane. Tra gli obiettivi futuri del gruppo c’è perciò l’integrazione del sistema bioibrido con forme di intelligenza artificiale, che possano in qualche modo “addestrare” il sistema a riconoscere una varietà di molecole, anche complesse. Ma questo “naso” artificiale è già un grande risultato: sviluppare sensori di questo tipo potrebbe ispirare nuove tecniche di diagnosi che sappiano riconoscere malattie, come appunto i tumori, dai metaboliti emessi dal respiro dei pazienti, e da impiegare in vista di una diagnosi sempre più precoce.

Giancarlo Cinini Dopo aver studiato lettere e comunicazione della scienza ed essersi formato scrivendo per Galileo, Wired Italia e La Repubblica, oggi collabora con Il Tascabile e insegna lettere in un istituto superiore.

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