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CHIM Dipartimento di Chimica 'Ugo Schiff'

SENSOGM

Operazione/progetto co-finanziato dal POR FESR Toscana 2014-2020

 

Responsabile scientifico: Prof. Maria Minunni

Titolo: Sviluppo di sensori biotofonici per la determinazione di OGM nell’ambiente

Acronimo: SENSOGM

Durata mesi: 24

Data di avvio: 02/11/2018

Indicare la linea d'azione: Linea A del bando

Area tematica: Piattaforma tecnologica integrata per l'optoelettronica, la fotonica, l’ICT, la robotica e le altre tecnologie abilitanti connesse

Categoria del progetto di 0 % Ricerca Fondamentale 96 % Ricerca Industriale 4 % Sviluppo ricerca: Sperimentale

Settore tecnologico: FOTONICA
 e SENSORISTICA ED APPLICAZIONI OTTICHE


Parole chiave del progetto: Sensore, biofotonica, nanofotonica, OGM, SERS, SPRi, plasmonica

Sintesi del progetto  

Alla luce del recente dibattito scientifico in merito, si vuole proporre lo sviluppo di una piattaforma integrata di sistemi plasmonici in grado di espandere la possibilità di rivelazione, identificazione e quantificazione di organismi (OGM) e microrganismi geneticamente modificati (MGM) nell’ambiente, dallo screening veloce sul campo (risposta semiquantitativa, si/no), all’analisi fine di laboratorio per l’identificazione delle specie transgeniche e la loro quantificazione in campioni ambientali (risposta quantitativa e profilo della popolazione OGM/MGM nel campione). Come prima cosa verranno selezionati opportuni biomarcatori (sequenze di DNA transgeniche e/o prodotti proteici correlabili all’evento di transgenosi) di sementi, piante o microorganismi di interesse per il territorio toscano, in particolare mais, soia, colza, barbabietola da zucchero, pomodoro, tabacco, patata, vite, crisantemo. La selezione terrà conto anche del coinvolgimento del biomarcatore in eventuali contaminazioni dei microrganismi della rizosfera e/o del suolo, evento tuttavia considerato molto difficile da verificarsi, a differenza della contaminazione dovuta a flusso genico da pianta a pianta.

Per questi biomarcatori verranno individuati i corrispettivi recettori (a DNA e/o proteici) da impiegare nei sensori come elementi di riconoscimento specifico di ciascun biomarcatore.

La piattaforma plasmonica integrata sarà composta da: i) un biosensore multianalita basato sulla risonanza plasmonica di superficie per immagini (SPRi) in grado di identificare in simultanea e senza bisogno di labels la presenza di più biomarcatori anche co-presenti in un unico campione. Il biochip sarà un microarray di biorecettori diversi immobilizzati su un’unica superficie plasmonica. La composizione di ogni microarray potrà essere modulata per avere a disposizione biochips specifici per gruppi di specie (es. mais/soia/colza o pomodoro/patata) o seguendo altri criteri di raggruppamento (per esempio raggruppando coltivazioni che risultino vicinali in un dato territorio); ii) un biosensore colorimetrico basato sull’impiego di nanoparticelle plasmoniche modificate con gli stesse recettori, che sia economico, portatile, veloce e di facile esecuzione; che restituisca informazioni semiquantitative sulle specie OGM d’interesse eseguendo l’analisi direttamente in situ. Il suo prototipo dovrebbe avere le caratteristiche di un kit da eseguire sul campo di prelievo in una iniziale fase di screening della presenza di OGM in contesto ambientale; iii) una piattaforma di spettroscopia Raman amplificata da superfici (SERS) e basata su substrati attivanti di argento/grafene per il riconoscimento e la quantificazione dei biomarcatori senza l’utilizzo di recettori specifici. La spettroscopia SERS fornisce un’informazione spettrale unica per ogni specie molecolare permettendo di realizzare un’analisi dettagliata e completa del campione oltre che rapida e di facile realizzazione. Il SERS rappresenta un approccio complementare e di supporto agli altri due sistemi proposti minimizzando alcune criticità quali la possibilità di sottostime e di interferenze nel segnale. Affidabilità e riproducibilità della risposta SERS saranno garantiti dai substrati amplificanti di Ag/grafene ad elevata stabilità e ottimizzati per il riconoscimento molecolare di OGM e MGM.
Nel complesso, la piattaforma fotonica integrata realizza la messa a punto di una ‘filiera analitica’ per la tracciabilità del rilascio ambientale di OGM e MGM basata su tecniche plasmoniche complementari in grado di ricoprire le diverse esigenze analitiche delle fasi di controllo ambientale, dallo screening in campo alla valutazione quantitativa della composizione delle popolazioni eseguita in laboratorio. I vantaggi di questi sensori ottici risiedono nella rapidità e nell’accuratezza di risposta, l’uso di reagenti non marcati e nella capacità di dare risposte multianalita. Inoltre, la loro integrazione può fornire indicazioni sulla distribuzione di OGM/MGM e di eventuali associazioni di specie sul territorio in base alle risposte ottenute.

Esperienze e competenze del gruppo di lavoro in relazione alle attività progettuali:

ll gruppo di ricerca si occupa della realizzazione di sensori e biosensori per applicazione in campo analitico. I biosensori sono dispositivi analitici innovativi costituiti da un elemento biologico responsabile del riconoscimento molecolare in intimo contatto con un trasduttore di segnale. Tali dispositivi sono proposti come sistemi rapidi di analisi per le più diverse problematiche che spaziano dall’analisi ambientale alla diagnostica clinica. Presso il laboratorio si sviluppano biosensori utilizzando vari sistemi di trasduzione per la realizzazione di biosensori elettrochimici, piezoelettrici ed ottici basati sulla fotonica. I dispositivi realizzati sono sia di tipo catalitico sia di affinità: nel primo caso, come elementi responsabili del bioriconoscimento molecolare, sono impiegati enzimi mentre nel secondo si utilizza un anticorpo, un recettore, un acido nucleico. Per la realizzazione di tali dispositivi il laboratorio ha sviluppato una esperienza specifica nella messa a punto di metodi di immobilizzazione di biomolecole su supporti solidi.
Il gruppo di ricerca, inoltre, ha sviluppato una notevole esperienza nella realizzazione di sensori elettrochimici, impiegabili tali e quali o come trasduttori nella realizzazione di biosensori. Come esempio
 citiamo gli elettrodi a membrana ionoselettivi per misure potenziometriche, e le celle elettrochimiche stampate monouso. Per la realizzazione di queste ultime il gruppo ha negli ultimi anni sviluppato notevole competenza nelle procedure di stampa serigrafia. Con l’impiego di tale tecnologia è stato possibile realizzare dispositivi analitici monouso, portatili, che permettono l’analisi rapida di matrici di diversa provenienza, e soprattutto, consentono di monitorare direttamente in situ l’analita.

 

Di seguito si illustrano schematicamente gli aprocci utilzzati per realizzare il biosensore descritto nel progetto relativamente agli obiettivi della unità operative Dipartimeto di Chimica “Ugo Schiff”:

- verrà realizzato un biosensore a DNA, immobilizzando sonde di biomarcatori opportunamente identificate su chip di oro. La chimica da utilizzare in primis è quella dei tioli, percui saranno utilizzate sonde ssDNA tiolate da far interagire per ibridazione con la sequenza di DNA target (biomarcatore) identificata. La formazione dell’ibrido a doppia elica (sonda-target) è rilevata via SPR come mostrati negli schemi di seguito. Il segnale di ibridazione  è diretto, laber free ed fornito in tempo reale. La superficie del chip può essere rigenarate dissociando il complesso format, percui sullo stesso chip possono essere realizzate misure successive.

 

 
ultimo aggiornamento: 17-Giu-2019
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