Dall’Italia un nuovo biosensore amperometrico a base di laccasi per il monitoraggio di inquinanti

L’innovativo biosensore a base di laccasi

Un gruppo di ricerca tutto italiano ha ideato e realizzato una nuovo sensore caratterizzato da performance di stabilità nel tempo, resistenza all’usura e riproducibilità nella misura senza precedenti.

Grazie ad una collaborazione scientifica nata tra vari istituti del Consiglio Nazionale delle Ricerche (Cnr-Ism, Cnr-Ismn, Cnr-Igag, Cnr-Imaa), l’Università Sapienza di Roma e l’Università degli Studi di Foggia, è stato costruito un biosensore elettrochimico amperometrico a base di enzimi per il monitoraggio di inquinanti ambientali (Fig. 1).

Rappresentazione schematica del biosensore amperometrico a base di laccasi.
Figura 1 – Rappresentazione schematica del biosensore amperometrico a base di laccasi.

La ricerca scientifica nel campo della progettazione e della realizzazione di biosensori enzimatici facilmente trasportabili ed utilizzabili è in continua crescita in quanto presenta molteplici vantaggi in innumerevoli settori, tra cui quello ambientale. Tali tecnologie sfruttano le proprietà intrinseche dei biorecettori enzimatici che li rendono altamente selettivi e sensibili.

In particolare, i biosensori aventi come recettori l’enzima laccasi sono di grande interesse in quanto sono in grado di rilevare molecole altamente tossiche nell’ambiente, come ad esempio l’1,2-benzochinone, diventando strumenti essenziali nella produzione industriale al fine di assicurare un basso impatto ambientale.

La struttura di un sensore

Un sensore chimico è un sistema in grado di trasformare un’informazione chimica in un segnale misurabile analiticamente utile. L’informazione chimica spazia dalla concentrazione di un singolo componente specifico alla concentrazione di tutti i componenti presenti nel campione analizzato.

Un sensore è un dispositivo che utilizza un elemento di riconoscimento mantenuto a contatto diretto con un trasduttore. In particolare, ogni sensore è solitamente costituito da tre parti (Fig. 1):

  • un recettore selettivo per uno specifico analita target;
  • un trasduttore, solitamente fisico-chimico, ottico, piezoelettrico, elettrochimico, ecc., che trasforma il segnale risultante dall’interazione dell’analita con il recettore in un segnale misurabile e quantificabile;
  • una componente elettronica di amplificazione ed elaborazione del segnale, che permette di ottenere risultati facilmente interpretabili.
Rappresentazione schematica della struttura generica di un sensore.
Figura 2 – Rappresentazione schematica della struttura generica di un sensore.

Quando il recettore o mediatore di un sensore è rappresentato da un elemento biologico si parla di biosensore. Il biomediatore selettivo per uno specifico analita può essere rappresentato da materiali di derivazione biologica o biomimetici come tessuti, microrganismi, organelli, recettori cellulari, enzimi, anticorpi, acidi nucleici ed elementi biologici creati mediante approcci di ingegneria genetica.

L’enzima laccasi

Le laccasi (Fig. 3) sono state isolate nel 1983 dall’albero giapponese della lacca (Rhus vernicifera), da cui il nome. Solo successivamente si sono scoperte laccasi di origine batterica, animale e fungina.

Struttura 3D dell’enzima laccasi.
Figura 3 – Struttura 3D dell’enzima laccasi.

Le laccasi sono una classe molto ampia di ossido-reduttasi in grado di ossidare vari composti utilizzando come accettore finale di elettroni l’ossigeno. Le laccasi sono caratterizzate da strutture proteiche semplici, costituite da una serie di β-foglietti e da quattro siti contenenti rame (Cu). Tali siti vengono indicati solitamente con i termini T1, T2, T3 e T4.

Il dominio T1 è il sito attivo principale coinvolto direttamente nei processi ossidativi. I centri T2, T3 e T4 sono “sepolti” all’interno della struttura enzimatica e svolgono le funzioni di ricezione degli elettroni sequestrati dal T1.

L’importanza dei dispositivi biotecnologici

Lo sviluppo di sensori chimici sembra destinato a rivoluzionare le potenzialità nel campo della chimica analitica. Le metodologie analitiche classiche richiedono il prelievo, il trasporto e, in molti casi, un trattamento del campione. Inoltre, esse richiedono spesso strumentazioni costose utilizzabili solo da personale altamente specializzato.

Per cui, in passato, la caratterizzazione di un sistema da un punto di vista chimico veniva fortemente condizionata da una serie di fattori pratici, la maggior parte dei quali correlata a questioni di tempo e di costo, che spesso rendevano questo tipo di analisi non implementabili.

La chimica dei sensori nasce come soluzione a queste restrizioni e ricopre un largo campo di applicazione dove le strategie convenzionali, anche quando flessibili, risultano inadeguate. Inoltre, i sensori chimici sono di particolare interesse in quanto, non solo sono economici e facili da utilizzare, ma anche perché, se propriamente progettati, possono permettere il monitoraggio delle concentrazioni di un analita in tempo e talvolta in spazio reale.

È evidente, però, come lo studio e la progettazione di sensori chimici ad alta efficienza richieda un approccio multidisciplinare. È infatti essenziale la cooperazione di chimici, fisici, biologi ed ingegneri.

Gli aspetti innovativi dello studio italiano

Il biosensore realizzato dal consorzio italiano di ricercatori presenta delle caratteristiche innovative in quanto è stato realizzato attraverso l’applicazione della metodologia di deposizione elettrospray (ESD) per l’immobilizzazione enzimatica.

Questo metodo di immobilizzazione è risultato estremamente efficiente in quanto evita il distacco dell’enzima dal sensore durante l’utilizzo. In particolare, la ionizzazione elettrospray (ESI) è stata utilizzata per la deposizione, a pressione e temperatura ambiente, della laccasi su un substrato di carbonio al fine di rendere il sensore più ecosostenibile.

La maggiore efficacia della metodologia ESD è stata dimostrata paragonandola alla tecnica più comune di immobilizzazione enzimatica basata sul “drop casting” che, in questo caso, non è riuscita a competere in termini di stabilità nel riutilizzo del sensore.

Lo studio che descrive tale invenzione è stato recentemente pubblicato sulla prestigiosa rivista “Sustainable Chemistry and Engineering”, dell’American Chemical Society.

Il risultato più rilevante di questo studio scientifico riguarda le grandi prestazioni in termini di riutilizzo e stoccaggio del biosensore realizzato. Quest’ultimo può arrivare fino a due mesi senza particolari manutenzioni, operando a pressione e temperatura ambiente ed esposto alla luce solare.

Inoltre, la possibilità di riutilizzare un sensore appena realizzato per 63 volte consecutive e un sensore vecchio di un anno sottoposto a rideposizione per 20 volte consecutive, sottolinea il buon ancoraggio dell’enzima grazie alla tecnica ESD.

Nicola Di Fidio

Sitografia:

Bibliografia:

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  • Castrovilli, M. C., Bolognesi, P., Chiarinelli, J., Avaldi, L., Calandra, P., Antonacci, A., & Scognamiglio, V. (2019). The convergence of forefront technologies in the design of laccase-based biosensors–An update. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 119, 115615.
  • Rodríguez-Delgado, M. M., Alemán-Nava, G. S., Rodríguez-Delgado, J. M., Dieck-Assad, G., Martínez-Chapa, S. O., Barceló, D., & Parra, R. (2015). Laccase-based biosensors for detection of phenolic compounds. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 74, 21-45.
  • Kadam, A. A., Saratale, G. D., Ghodake, G. S., Saratale, R. G., Shahzad, A., Magotra, V. K., … & Sung, J. S. (2022). Recent Advances in the Development of Laccase-Based Biosensors via Nano-Immobilization Techniques. Chemosensors, 10(2), 58.

Crediti immagini:

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