Filatura della seta nei sensori

I bozzoli di bachi da seta spediti a scatola piena dal Giappone a un laboratorio di ottica della Tufts University incontreranno un destino diverso da quelli diretti alle fabbriche tessili di tutto il mondo. Invece di essere tessute in tende o vestiti, le forti fibre proteiche che un tempo i bruchi facevano girare su se stessi verranno utilizzate per costruire materiali ottici che possono servire come base per sensori e altri dispositivi. Il bioingegnere Fiorenzo Omenetto, che crea i dispositivi, spera in definitiva di costruire sensori impiantabili e biodegradabili che potrebbero aiutare a monitorare i progressi dei pazienti dopo l'intervento chirurgico o a monitorare malattie croniche come il diabete.

Fiorenzo Omenetto sui gradini dell'edificio di bioingegneria Tufts, dove realizza dispositivi ottici in seta.

Omenetto si è reso conto che la seta andava bene più di camicie e cravatte, dice, quando ha avuto modo di parlare con David Kaplan, il capo del dipartimento di ingegneria biomedica di Tufts, con il quale condivide un corridoio. Kaplan trasforma le proteine ​​della seta in scaffold compatibili con le cellule per l'ingegneria dei tessuti biologici, inclusi gli impianti corneali. La fibra naturale più forte conosciuta, la seta è preferita dagli ingegneri dei tessuti perché è meccanicamente resistente ma si degrada innocuamente all'interno del corpo.

Questa storia faceva parte del nostro numero di gennaio 2009

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Formatosi come fisico, Omenetto pensò che se la seta produceva buone cornee artificiali, poteva anche creare buoni dispositivi ottici. A quanto pare, dice, i dispositivi di seta che sta realizzando funzionano così come quelli realizzati con materiali ottici tradizionali come vetro e plastica, in alcuni casi anche meglio. E a differenza di questi materiali, la seta non ha bisogno di essere lavorata ad alte temperature o con prodotti chimici aggressivi.

Questo è uno dei motivi per cui la seta è così adatta per l'uso nei biosensori: poiché i dispositivi in ​​seta possono essere fabbricati in un ambiente delicato, è possibile incorporarvi ulteriori molecole biologiche (come le proteine) mentre vengono costruiti. Queste molecole fungono da sensori che, una volta integrati nei dispositivi di seta, possono rimanere attivi per anni. Nei dispositivi che Omenetto e Kaplan stanno sviluppando, le proteine ​​incorporate nel materiale ottico si legano in modo efficiente a un bersaglio come l'ossigeno o una proteina batterica; quando lo fanno, la luce trasmessa dal sensore cambia colore.

Ricetta ottica
La ricetta di Omenetto inizia con i bozzoli filati dal baco da seta Bombyx mori. Per prima cosa, dice, tagli il bozzolo e rimuovi il verme, con grande dispiacere dei vegani. Il tecnico di ricerca senior Carmen Preda fa poi bollire i bozzoli in una soluzione contenente il sale carbonato di sodio. Questo aiuta a dissolvere la sericina, una glicoproteina collosa che tiene insieme i bozzoli ma provoca reazioni immunitarie negli esseri umani. Dopo che le fibre di seta si sono asciugate, vengono sciolte in una soluzione di bromuro di litio. Quando si raffredda, Preda usa una siringa per caricarlo in una cartuccia per dialisi. Lo mette in un bicchiere d'acqua, che estrae il sale.

Ciò che rimane nella cartuccia è una soluzione chiara e viscosa della fibroina di seta proteica purificata. Preda rimuove questo sciroppo di seta dalla cartuccia con una siringa e lo carica in una fila di provette; questo è il materiale di partenza per i componenti ottici di Omenetto. Se vuole utilizzare i componenti di un biosensore, può aggiungere una proteina che mira a una particolare molecola, ad esempio l'emoglobina che lega l'ossigeno, in questa fase. Hai questa bella soluzione a base d'acqua in cui puoi mescolare qualsiasi cosa, dice Omenetto.

L'emoglobina è una proteina relativamente stabile, ma i materiali in seta possono anche preservare l'attività di proteine ​​meno resistenti, come gli enzimi. Come test case, i ricercatori di Tufts hanno realizzato strutture di seta contenenti un enzima volatile di rafano chiamato perossidasi; i sensori di glucosio potrebbero incorporare l'esochinasi, un enzima che si lega allo zucchero.

Gli stampi utilizzati per modellare la soluzione di proteine ​​della seta in dispositivi ottici sono modellati con caratteristiche su scala nanometrica. Tali dettagli fini sono importanti nell'ottica, poiché la luce interagisce meglio con le caratteristiche su una scala non più grande della propria lunghezza d'onda, circa 400-700 nanometri nel caso della luce visibile. Nella luce ambientale del laboratorio, le regioni nanomodellate degli stampi di plastica brillano dolcemente, come l'interno di un guscio di abalone.

Un dispositivo che i ricercatori hanno realizzato è un ologramma, a dimostrazione del fatto che la seta ha la stessa versatilità di altri materiali ottici. Al banco del laboratorio, il postdoc Jason Amsden usa una pipetta per depositare la soluzione di seta su uno stampo inciso con il logo Tufts. Lascia lo stampo sul bancone a temperatura ambiente per circa otto ore, il tempo necessario affinché le proteine ​​si fissino in un ovale flessibile e irregolare che mostri il logo in uno schema tridimensionale di rosa e blu iridescenti.

In altri stampi intorno al laboratorio, diversi tipi di dispositivi ottici hanno già terminato l'essiccazione. Amsden ne seleziona uno e lo stacca delicatamente dallo stampo usando una pinzetta. Il dispositivo è una carta rossa traslucida impregnata di emoglobina e modellata con diversi elementi ottici, incluso un reticolo di diffrazione che divide la luce bianca nei suoi colori componenti.

Sensori di seta
La scheda funge da semplice sensore di ossigeno: la luce che la attraversa cambia leggermente la lunghezza d'onda, a seconda di quanto ossigeno si è legato all'emoglobina incorporata. Questi cambiamenti non possono essere visti ad occhio nudo ma possono essere rilevati da un fotodiodo, un chip che trasforma la luce in corrente elettrica. Quando una goccia di sangue ricco di ossigeno viene posta sul sensore, ad esempio, l'emoglobina assorbe ossigeno da esso e la lunghezza d'onda della luce registrata dal fotodiodo cambia.

L'ossigeno è solo un possibile obiettivo per i dispositivi Omenetto. I reticoli con anticorpi ed enzimi incorporati in essi potrebbero rilevare praticamente qualsiasi molecola di interesse medico, che si tratti di glucosio o di un marcatore tumorale. E i ricercatori di Tufts immaginano non solo sensori da laboratorio, ma anche impiantabili. Un'applicazione sviluppata da Omenetto sarà particolarmente importante: fibre ottiche di seta per trasportare la luce dalla superficie della pelle ai sensori impiantati e viceversa, in modo che possa essere letta da un fotorilevatore. I sensori potrebbero essere impiantati durante interventi chirurgici come le resezioni di tumori e quindi utilizzati per monitorare i pazienti alla ricerca di segni di infezione o cancro ricorrente. Omenetto e Kaplan sperano anche di integrare i sensori nelle future strutture di ingegneria tissutale che aiuterebbero i medici a monitorare quanto bene un nuovo tessuto viene incorporato nel corpo. I dispositivi si dissolverebbero in modo innocuo con il resto delle strutture di supporto del tessuto.

I sensori futuri, afferma Omenetto, avranno design che porteranno a cambiamenti di colore più drammatici quando i sensori si legheranno ai loro obiettivi. Per creare sensori leggibili ad occhio nudo si è ispirato a un altro insetto, la farfalla morfo. Il suo scintillante colore blu non è dovuto ai pigmenti ma al modo in cui la luce interagisce con i pilastri proteici su nanoscala sulle sue ali. La modifica della struttura dei pilastri elimina il colore. Omenetto immagina un sensore a base di seta modellato con strutture su nanoscala che lo fanno apparire blu; una molecola bersaglio che si leghi alle proteine ​​nel sensore cambierebbe sottilmente le nanostrutture, facendo cambiare colore o scomparire. Omenetto dice che le tecnologie di base per farlo sono a posto; si tratta semplicemente di progettare gli stampi giusti.

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