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Il grafene “stropicciato” migliora il rilevamento del DNA tumorale circolante

I biosensori a base di grafene potrebbero inaugurare una nuova era per la biopsia liquida, rilevando il DNA tumorale circolante (ctDNA) nel sangue di un paziente. Gli attuali modelli, però, richiedono una grande quantità di DNA. In un nuovo studio i ricercatori dell’Università dell’Illinois a Urbana-Champaign hanno scoperto che il grafene “stropicciato” (crumpled, in inglese) rende i biosensori estremamente più sensibili al DNA. Inoltre, potrebbe essere utilizzato in una vasta gamma di applicazioni di biosensori per avere una diagnosi più rapida. Il team di ricercatori ha pubblicato lo studio sulla rivista Nature Communications.

Una nuova era per le biopsie

“Questo sensore è in grado di rilevare concentrazioni ultra-basse di marcatori molecolari della malattia, che sono importanti per la diagnosi precoce”, ha dichiarato il leader dello studio Rashid Bashir, professore di bioingegneria e preside del Grainger College of Engineering all’Università dell’Illinois . “È molto sensibile, è a basso costo, è facile da usare e utilizza il grafene in un modo nuovo.”

L’idea di cercare sequenze rivelatrici del cancro negli acidi nucleici di DNA o RNA non è nuova, ma questo è il primo sensore elettronico in grado di rilevare quantità molto piccole senza ulteriori processi.

“Quando hai il cancro, alcune sequenze sono sovraespresse. Ma invece che sequenziare il DNA di qualcuno, che richiede molto tempo e denaro, possiamo rilevare quei segmenti specifici che sono biomarcatori tumorali nel DNA e nell’RNA che vengono secreti dai tumori nel sangue”, ha affermato Michael Hwang, il primo autore dello studio e ricercatore post dottorato presso il laboratorio di micro e nanotecnologie di Holonyak nell’Illinois .

Un nuovo impiego del grafene

Il grafene "stropicciato" migliora i sensori per la biopsia liquida. Credits: AlexanderAlUS
Modello molecolare del grafene, con struttura a celle esagonali. Credits: AlexanderAlUS

Il grafene è un materiale costituito da uno strato monoatomico di atomi di carbonio, avente quindi uno spessore equivalente alle dimensioni di un solo atomo. È un materiale comune ed economico per sensori elettronici. Tuttavia, i sensori per acidi nucleici sviluppati finora richiedono un processo chiamato “amplificazione”, che consiste nell’isolare un frammento di DNA o RNA e copiarlo più volte in una provetta. Ma questo è un processo lungo e, inoltre, può introdurre errori. Quindi il gruppo di studiosi ha pensato di aumentare la potenza di rilevamento del grafene al punto da riuscire ad analizzare un campione senza doverne prima amplificare il DNA.

Per farlo hanno semplicemente disteso un sottile foglio di plastica mettendoci sopra il grafene, dopodiché hanno rilasciato la tensione nella plastica facendo scricchiolare il grafene e creando una superficie stropicciata. Hanno testato l’abilità del grafene stropicciato di rilevare il DNA e un microRNA tumorale sia in una soluzione tampone sia nel siero umano e hanno riscontrato un miglioramento delle prestazioni di decine di migliaia di volte rispetto al grafene piatto.

“Questa è la massima sensibilità mai riportata per il rilevamento elettrico di una biomolecola. Prima avremmo avuto bisogno di decine di migliaia di molecole in un campione per rilevarlo. Con questo dispositivo, siamo in grado di rilevare un segnale con solo poche molecole “, ha detto Hwang. “Mi aspettavo di vedere un miglioramento della sensibilità, ma non così.

Perché il grafene stropicciato è così sensibile?

Il grafene "stropicciato" migliora i sensori per la biopsia liquida. Credits: Mohammad Heiranian
La simulazione mostra l’assorbimento del singolo filamento di DNA da parte delle regioni concave e convesse della superficie del grafene deformato. Credits: Mohammad Heiranian

Per capire il motivo di questo notevole miglioramento nel potere di rilevamento, il professore di scienze meccaniche e ingegneria Narayana Aluru e il suo gruppo di ricerca hanno usato simulazioni al computer per studiare le proprietà elettriche del grafene stropicciato e il modo in cui il DNA interagiva fisicamente con la superficie del sensore. Hanno scoperto che gli incavi che venivano a formarsi con le increspature servivano da hotspot elettrici, fungendo da “trappola” per attrarre e trattenere le molecole di DNA e RNA.

“Quando si accartoccia il grafene e si creano queste regioni concave, la molecola di DNA si adatta alle curve e alle cavità sulla superficie, quindi più molecole interagiscono con il grafene e possiamo rilevarlo“, ha affermato Mohammad Heiranian, uno studente laureato autore dello studio. “Ma quando hai una superficie piatta, altri ioni nella soluzione prediligono la superficie più del DNA, quindi il DNA non interagisce molto con il grafene e non possiamo rilevarlo.”

Inoltre, accartocciare il grafene ha creato una tensione nel materiale che ha cambiato le sue proprietà elettriche inducendo un gap di banda, cioè una barriera energetica che gli elettroni devono superare per fluire attraverso il materiale, che lo ha reso più sensibile alle cariche elettriche sulle molecole di DNA e RNA.

Possibili future applicazioni

Questo nuovo sensore con il grafene stropicciato potrebbe essere adattato per rilevare un’ampia varietà di biomarcatori. Infatti, il gruppo di Bashir sta testando questo materiale nei sensori per il rilevamento di proteine e anche di piccole molecole.

“Alla fine l’obiettivo sarebbe quello di costruire cartucce per un dispositivo portatile in grado di rilevare molecole target in poche gocce di sangue, ad esempio, nel modo in cui viene monitorato lo zucchero nel sangue”, ha detto Bashir. “L’idea è quella di effettuare misurazioni rapidamente e in un formato portatile.”

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Benedetta Paolettihttps://biomedicalcue.it
Laureata in Ingegneria Biomedica all'Università Politecnica delle Marche. Studentessa MSc in Neuroengineering and bio-ICT all'Università degli Studi di Genova.