Nanobiotech fa la diagnosi

Guardando un contatore elettrico, Yi Cui, uno studente laureato nel laboratorio del chimico Charles Lieber dell'Università di Harvard, attende le prove di un'impresa straordinaria nella diagnostica semplice e ultrasensibile. Il suo obiettivo è il cancro alla prostata. Il suo nuovo strumento è un microchip con 10 fili di silicio, ciascuno largo appena 10 nanometri (miliardesimi di metro). Questi nanofili sono stati ricoperti di molecole biologiche con un'affinità per il PSA, una proteina fin troppo familiare agli uomini di una certa età come segno rivelatore del cancro alla prostata. Se l'esperimento funziona secondo i piani, quando le molecole di PSA si legano ai nanofili, ci sarà un segnale elettrico rilevabile.

Cui lava una soluzione contenente proteine ​​del cancro alla prostata sul chip. Immediatamente, il misuratore registra sottili cambiamenti, indicando non solo che il dispositivo ha rilevato la proteina, ma che ha rilevato forse anche solo tre o quattro molecole, istantaneamente e con una preparazione minima del campione, un'impresa mai vista prima. Le implicazioni per la diagnostica sono enormi. Un test di successo del cancro alla prostata deve distinguere tra livelli di proteine ​​normali ed elevati. I sensori ultrasensibili come quelli di Lieber potrebbero percepire il minimo aumento; inoltre, potrebbero farlo con test economici e usa e getta che i pazienti potrebbero utilizzare a casa tra una visita e l'altra dal medico. Se fossi a rischio di un particolare cancro, non vorrei correre il rischio e aspettare che alcune cellule tumorali crescano selvaggiamente fuori controllo per un anno perché il test precedente lo ha mancato, afferma Lieber.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 2002

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Sebbene questo dispositivo a nanofili sia solo un prototipo sperimentale, è in prima linea in uno sforzo crescente nei laboratori di tutto il mondo per unire la nanoelettronica e la biologia in un nuovo campo chiamato nanobiotecnologia. Questa disciplina ibrida sta producendo una varietà di strumenti, da matrici di minuscoli sensori in grado di rilevare specifiche molecole biologiche a sistemi microscopici ricavati dal silicio in grado di leggere singoli filamenti di DNA, in grado di fornire una nuova finestra sulle molecole biologiche.

Le implicazioni per la medicina e la biotecnologia sono innumerevoli. Oltre ad annusare il minimo odore di malattia, o forse a rilevare una singola spora di antrace, questi dispositivi potrebbero fornire una diagnosi molto più rapida e semplice di malattie complesse. Ad esempio, potrebbero fornire avvertimenti precoci sugli attacchi di cuore, i cui biglietti da visita sono sottili cambiamenti nel mix di dozzine di proteine. In alternativa, un singolo microchip potrebbe fornire una diagnosi completa da una goccia di sangue. E per i ricercatori sui farmaci, i gadget nanobiotecnologici potrebbero significare nuovi strumenti per scoprire e valutare potenziali farmaci più rapidamente, esaminando milioni di diversi farmaci candidati contemporaneamente. Alcuni di questi obiettivi più ambiziosi richiederanno probabilmente anni per essere raggiunti, ma la nanobiotecnologia potrebbe portare a dispositivi reali che inizieranno a sostituire procedure di laboratorio ingombranti con microchip economici e accurati in appena due anni.

Questi primi prodotti, chip truccati per rilevare una malattia specifica o un gruppo di malattie genetiche, sono già in fase di sviluppo in quasi una dozzina di startup di nanobiotecnologie (vedi Rilevamento del successo ) . Larry Bock, CEO di Palo Alto, startup con sede in California Nanosys [ BAMBINI il membro del consiglio di amministrazione Robert Metcalfe è cofondatore e direttore di Nanosys. Ndr], che ha concesso in licenza la tecnologia di Lieber, prevede che la sua azienda commercializzerà un sensore entro tre anni, prima come ausilio alla ricerca per lo screening rapido di potenziali farmaci, e poi come test domiciliare economico e usa e getta per il cancro alla prostata e forse altri tumori. La gente parla di tutte le meraviglie della nanotecnologia ma poi dice che non accadrà prima di altri 20 anni, afferma Chad Mirkin, chimico e direttore dell'Institute for Nanotechnology presso la Northwestern University. Ma questo è assolutamente sbagliato per cose come la diagnostica. Vedrai prodotti sul mercato nei prossimi due anni.

Il potere nei numeri

La biologia e l'elettronica esistono da tempo in universi separati. Ma poiché le molecole biologiche, come il DNA e le proteine, hanno una dimensione approssimativa di pochi nanometri e poiché fisici e chimici stanno ora imparando come realizzare dispositivi elettronici esattamente su quella scala di dimensioni, questi universi si stanno scontrando. Il risultato è una nuova classe di dispositivi che combinano la capacità delle molecole biologiche di legarsi selettivamente ad altre molecole con la capacità della nanoelettronica di rilevare istantaneamente i lievi cambiamenti elettrici causati da tale legame. La cosa veramente interessante di questa tecnologia è che consente di prendere i componenti inorganici che normalmente sarebbero annidati all'interno di un chip elettrico e combinarli con molecole biologiche, afferma Paul Alivisatos, cofondatore scientifico di Nanosys e chimico presso l'Università della California, Berkeley .

In effetti, dispositivi nanoelettronici come quello costruito nel laboratorio di Lieber (vedere Filo sensibile ) potrebbe eliminare l'elaborato apparato ora necessario per il rilevamento ultrasensibile. Se volessi eseguire il rilevamento di una singola molecola in un laboratorio oggi, avresti bisogno di un laser lungo quanto una scrivania e di molte ottiche sofisticate, etichette chimiche per amplificare il segnale abbastanza da poterlo vedere, dice Bock.

Ridurre i dispositivi così ultrasensibili da poter essere inseriti nei chip potrebbe avere numerose applicazioni nella diagnostica. Il chimico della Stanford University Hongjie Dai, ad esempio, ha costruito un dispositivo in grado di rilevare il glucosio con un singolo nanotubo di carbonio, una grande molecola di carbonio con eccellenti proprietà elettriche (vedere Il computer a nanotubi , BAMBINI marzo 2002) . Le molecole di glucosio reagiscono con le molecole sulla superficie del nanotubo, creando segnali elettrici che corrispondono alle concentrazioni di glucosio, dice. Sebbene oggi sia solo una prova di concetto, un tale dispositivo potrebbe essere sviluppato in un sensore di glucosio impiantabile per i diabetici. A dicembre, Dai ha lanciato Molecular Nanosistemi a Palo Alto, in California, per commercializzare dispositivi basati su nanotubi, compresi i biosensori.

Per molte applicazioni, tuttavia, ciò che è veramente necessario non è un nanorilevatore solitario, ma una vasta gamma di essi. In questo modo, puoi cercare rapidamente migliaia, anche milioni, di diverse molecole biologiche in una singola goccia di sangue o altro fluido corporeo, consentendo la diagnosi di malattie che hanno firme molecolari complesse. Una di queste malattie è l'artrite reumatoide, una malattia autoimmune con molte varianti, ciascuna caratterizzata da sottili differenze nei gruppi di proteine. Idealmente, ogni variante sarebbe combattuta con un trattamento leggermente diverso; in pratica, i malati di oggi sono generalmente trattati allo stesso modo. Ma, afferma Dai, un nano array potrebbe fungere da dispositivo diagnostico altamente preciso e discriminante, fornendo una tabella di marcia per un trattamento personalizzato.

Questi array di nanorivelatori promettono vantaggi rispetto alle tecnologie esistenti, come i chip DNA, e quelle in fase di sviluppo, come i chip proteici. Tutti questi chip richiedono l'etichettatura fluorescente di molecole e microscopi ottici per rilevare il bagliore emesso quando si verifica il legame (vedi DNA Chip Target Cancer , BAMBINI luglio/agosto 2001) . Inoltre, circa mille molecole devono legarsi a ciascun elemento sensibile per creare il bagliore. Con la nanoelettronica non sono necessarie apparecchiature ingombranti e costose ed è possibile il rilevamento istantaneo di poche molecole.

Filo sensibile

Per rilevare una proteina correlata alla malattia in un campione di sangue, un filo di silicio largo appena 10 nanometri è rivestito con biomolecole che si legano solo a quella proteina (sotto). Quando la proteina della malattia si lega a una molecola sul filo (inserto), la conduttanza del filo cambia, fornendo un segnale elettrico istantaneo.

DNA appiccicoso

Ma i sensori con caratteristiche su scala nanometrica possono avere successo solo se sono abbastanza appiccicosi da afferrare le molecole di interesse. Mirkin della Northwestern vede il valore nell'oro: in particolare, particelle d'oro su scala nanometrica, a cui fissa più frammenti di DNA che possono attaccarsi a bersagli di DNA. Ogni particella d'oro diventa come il velcro, dice. Nei prossimi 18 mesi, afferma Mirkin, lui e i suoi colleghi costruiranno un semplice dispositivo diagnostico da studio medico in grado di diagnosticare istantaneamente malattie o predisposizioni alle malattie, a seconda di quali frammenti di DNA vengono utilizzati sul dispositivo. Verranno costruiti chip per pannelli di malattie, afferma Mirkin, comprese le malattie sessualmente trasmissibili, la fibrosi cistica e le predisposizioni genetiche al cancro del colon e all'ipercoagulazione del sangue (sangue che si coagula eccessivamente).

Il prototipo di chip di Mirkin, in fase di sviluppo da parte di Northbrook, Nanosphere, società con sede a IL, una società da lui cofondata, utilizza il DNA depositato tra gli elettrodi su un microchip per riconoscere i bersagli di interesse. Un campione viene mescolato con quelle particelle d'oro di velcro e lavato sul chip. Se il campione contiene il DNA mirato, diciamo, materiale genetico del batterio della sifilide, il DNA si legherà a quelle particelle d'oro appiccicose e quindi ai frammenti di DNA tra gli elettrodi. Le particelle d'oro chiudono il circuito e producono un segnale rilevabile. Più elementi di rilevamento dell'elettrodo per chip, più malattie o predisposizioni genetiche possono essere rilevate.

Il gruppo di Mirkin sta adattando un processo noto come nanolitografia a immersione per ottenere la capacità di stampare letteralmente molecole di DNA tra elettrodi a soli 200 nanometri di distanza. Mirkin spera di impacchettare centinaia, persino migliaia, di elementi di rilevamento degli elettrodi su un chip.

Molecole di stampa Nella nanolitografia dip-pen, le molecole vengono stampate direttamente sulla superficie del chip.

Schiere di cantilever (sopra) depositano milioni, addirittura miliardi, di molecole diverse su una superficie; nei casi in cui le molecole stampate si legano a geni o proteine ​​specifici, il chip può essere utilizzato per diagnosticare malattie o scoprire farmaci. Ogni cantilever, o penna, ha una punta di silicio (a sinistra) larga solo pochi atomi alla sua estremità. Quando la punta si sposta lateralmente, le molecole attaccate ai suoi lati vengono trascinate in superficie da un menisco d'acqua che si forma sotto la punta. Il movimento verticale di ogni cantilever è controllato termicamente, consentendo alle singole penne di avviare e interrompere la stampa.

La tecnologia di Mirkin può trovare DNA specificamente mirato in un campione. Ma se si potesse effettivamente prendere un singolo pezzo di DNA e leggere direttamente i suoi geni, si potrebbe, in teoria, identificare qualsiasi gene, o anche complessi modelli genetici. Utilizzando strumenti adattati dalla produzione di semiconduttori, il fisico Harold Craighead del Center for Nanobiotechnology di Cornell e il suo ex postdoc Stephen Turner hanno costruito un chip di silicio contenente minuscoli canali, ciascuno di 50 nanometri di larghezza e profondità (vedere Pipeline del DNA , qui di seguito) . Il canale è così piccolo che un singolo filamento di DNA può a malapena passare attraverso, e questo è proprio il punto. Un campo elettrico fa sì che la sfera di DNA normalmente arrotolata urta il canale, si srotola e si infila verso il basso.

Una volta afferrato, il DNA deve essere letto per vedere, ad esempio, se contiene una sequenza specifica. Per rendere leggibile una sequenza, i ricercatori aggiungono in anticipo al campione sonde di DNA marcate con fluorescenza; le sonde si legano alle sequenze bersaglio. Mentre ogni molecola di DNA si muove lungo il canale, un rilevatore ottico identifica le etichette fluorescenti che passano. Stiamo trattando il DNA come se fosse un supporto di registrazione, afferma Turner, che ora è presidente di Nanofluidics, una startup che cerca di commercializzare la tecnologia Cornell. E proprio come un registratore, stiamo suonando il DNA. Sebbene i ricercatori della Cornell attualmente utilizzino un microscopio ottico esterno per leggere il nastro, sperano di costruire un lettore ottico direttamente sul chip utilizzando fibre ottiche. Turner prevede di avere un dispositivo funzionante entro i prossimi anni.

Poiché gli strumenti per realizzare questi minuscoli canali si basano sulla stessa attrezzatura standard utilizzata per fabbricare chip di silicio per la microelettronica, Turner prevede di realizzare chip nanofluidici con migliaia e persino milioni di canali e fibre ottiche. Con tali dispositivi, dice Turner, i medici potrebbero un giorno prelevare una goccia di sangue da un paziente, farla cadere sul microchip e scansionare rapidamente il DNA nel campione per i marcatori genetici della malattia. Il dispositivo potrebbe anche aiutare i medici a scegliere i farmaci giusti per il paziente.

Pipeline del DNA

Per identificare una particolare sequenza su un filamento di DNA, i ricercatori prima mescolano il DNA con sonde fluorescenti che si attaccano a quella sequenza. Quindi, su un microchip (sopra), un campo elettrico attira il DNA attraverso un canale largo 50 nanometri. Un lettore ottico integrato rileva eventuali sonde collegate, identificando la sequenza.

Controllo del DNA

Nel connubio tra nanoelettronica e biologia, la visione più estrema prevede l'applicazione di gadget elettronici direttamente alle molecole. Per mostrare come potrebbe funzionare, e perché potrebbe essere utile, un team del Media Lab del MIT, guidato dal fisico Joseph Jacobson e dall'ingegnere biomedico Shuguang Zhang, ha apposto particelle d'oro, ciascuna di soli 1,4 nanometri di diametro, su un pezzo di DNA. Ogni particella d'oro fungeva da minuscola antenna. I ricercatori hanno quindi esposto il DNA a campi magnetici a radiofrequenza, provocando il riscaldamento delle particelle e la rottura del DNA a doppio filamento in due filamenti. Quando hanno rimosso il campo magnetico, i fili sono tornati insieme immediatamente. Ora abbiamo uno strumento molto potente e utile in grado di controllare le cose a livello molecolare, afferma Zhang. Finora, non ci sono strumenti in grado di farlo. Essere in grado di controllare una singola molecola in una folla di molecole è molto prezioso.

Tale valore, aggiunge il postdoc Kimberly Hamad-Schifferli, deriva in gran parte dalla potenziale capacità di attivare e disattivare i geni. Per farlo, i ricercatori del MIT potrebbero attaccare frammenti di DNA a particelle d'oro. Quando aggiunti a un campione di DNA, i frammenti si legherebbero a sequenze di geni complementari, bloccando l'attività di quei geni e disattivandoli efficacemente. L'applicazione di un campo magnetico riscalderebbe quindi le particelle d'oro, provocando il distacco dei loro frammenti di DNA attaccati, riattivando in effetti i geni. Uno strumento del genere potrebbe offrire ai ricercatori farmaceutici un modo per simulare gli effetti di potenziali farmaci, che attivano e disattivano anche i geni. Il MIT ha recentemente concesso in licenza la tecnologia a una startup biotecnologica, engeneOS con sede a Waltham, MA.

Sebbene il controllo remoto del DNA possa sembrare più un trucco da salotto che qualcosa che il medico potrebbe usare, tali esperimenti stanno dimostrando che la nanoelettronica può interagire con la biologia in modi potenti. Materiali come nanofili e nanotubi, ampiamente studiati da fisici e chimici negli ultimi anni, sono ora nelle mani di ingegneri biomedici come Zhang del MIT, con enormi implicazioni per tutto, dalla scoperta di farmaci alla diagnosi di malattie come il cancro alla prostata. Sebbene sia difficile prevedere i vincitori tra queste tante tecnologie, Alivisatos di Berkeley, per esempio, dice, penso che queste cose troveranno tutte nicchie competitive.

La microelettronica veloce ed economica ha rivoluzionato il mondo dell'informatica e della tecnologia dell'informazione. Resta incerto se la nanoelettronica possa rivoluzionare la medicina. Ma il divario tra elettronica e biologia si sta rapidamente riducendo e i ricercatori biomedici e persino i medici avranno presto strumenti per sondare le molecole fondamentali della vita in modi che sembravano fantasia solo pochi anni fa.

Percepire il successo
Alcune aziende in nanobiotech

Società	Fonte di tecnologia	Strategia
Tecnologie Agilent (Palo Alto, California)	Università di Harvard	Materiali con pori di dimensioni nanometriche per l'analisi del DNA
engeneOS (Waltham, MA)	CON	Nanoparticelle d'oro per il controllo remoto di molecole biologiche
Nanosistemi molecolari (Palo Alto, California)	Università di Stanford	Nanotubi di carbonio per il rilevamento di molecole biologiche
Nanofluidica (Itaca, New York)	Università Cornell	Chip con canali su scala nanometrica per l'analisi del DNA
NanoInk (Chicago, IL)	Northwestern University	Nanolitografia dip-pen per la progettazione di molecole e strutture biologiche
Nanosfera (Northbrook, IL)	Northwestern University	Rivelatori di nanoparticelle di elettrodi/oro per il rilevamento di DNA e agenti patogeni
Nanosys (Palo Alto, California)	Università di Harvard	Nanofili per il rilevamento di molecole biologiche
SurroMed (Vista sulle montagne, CA)	Università statale della Pennsylvania	Nanocodici a barre per l'etichettatura di molecole biologiche
Genomica degli Stati Uniti (Woburn, MA)	Genomica degli Stati Uniti	Reticolo nanocristallino per l'analisi del DNA

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