Biosensori, segnali, trasduttori

Elementi fondamentali di un biosensore

Per realizzare un biosensore è necessario un trasduttore, ossia l’elemento che converte

un’interazione biologica in un segnale leggibile, generalmente elettrico, come una tensione. Il

biosensore trasforma quindi un evento biologico in un’informazione misurabile.

Un altro concetto chiave è quello di analita, il componente biologico che il sensore deve rilevare.

L’analita rappresenta la specie target da identificare e quantificare in termini di presenza e

concentrazione in un campione biologico, che può essere sangue, saliva o altri fluidi.

Tra gli elementi principali di un biosensore troviamo quindi:

• l’analita

• l’elemento di riconoscimento o biorecettore, che consente il riconoscimento specifico

dell’analita

• il trasduttore, che converte l’interazione biologica in segnale elettrico

• il sistema di lettura, che elabora il segnale generato.

In una prima fase, l’attenzione si concentra sull’analita da rilevare.

Classi di analiti

Una possibile classe di analiti è rappresentata dalle biomolecole, che possono essere organiche o

inorganiche e distinguersi per dimensione o peso molecolare, differenziando tra piccole e grandi

molecole. La tipologia e l’identificazione dell’analita sono fondamentali per comprendere il suo

ruolo all’interno di un campione biologico.

Batteri come analiti

I batteri sono organismi unicellulari con dimensioni dell’ordine del micrometro, quindi molto più

piccoli di un capello umano (circa 50–150 micrometri). Nel corpo umano esistono numerose

popolazioni batteriche, alcune benefiche, soprattutto nell’intestino, e altre patogene, capaci di

provocare malattie infettive.

Anche batteri comuni come Escherichia coli possono diventare problematici in determinate

condizioni e vengono spesso rilevati mediante biosensori.

La rilevazione dei batteri è importante in diversi ambiti:

• Medico, per diagnosticare infezioni

• Sicurezza alimentare, per verificare la presenza di contaminazioni

• Controllo ambientale, ad esempio nell’acqua potabile

• Medicina veterinaria

I batteri, rispetto ad altri analiti, sono relativamente facili da rilevare grazie alle loro dimensioni, che

favoriscono un legame efficace e specifico con il biorecettore del biosensore. Una interazione forte

tra batterio e biorecettore genera uno stimolo intenso sul trasduttore, producendo un segnale

elettrico più marcato e facilmente rilevabile.

La specificità è un parametro fondamentale: il biosensore deve identificare un solo analita evitando

interferenze. Dimensioni maggiori dell’analita, come nel caso dei batteri, facilitano interazioni

altamente specifiche.

Acidi nucleici come analiti

Un’altra classe importante di analiti è rappresentata dagli acidi nucleici, DNA e RNA, fondamentali

per la vita.

• Il DNA contiene tutte le informazioni genetiche necessarie allo sviluppo e funzionamento

degli organismi, costituisce il progetto genetico e guida la sintesi proteica. È formato da

nucleotidi, composti da zucchero (desossiribosio), gruppo fosfato e base azotata.

Strutturalmente è a doppio filamento (doppia elica) e si trova principalmente nel nucleo

cellulare. Funzionalmente conserva e fornisce informazioni genetiche ed è in grado di

replicarsi autonomamente.

• L’RNA partecipa alla sintesi proteica trasportando le informazioni genetiche del DNA ai

ribosomi. Ha una struttura a singolo filamento, si trova soprattutto nel citoplasma e non si

replica autonomamente. Nell’RNA la timina del DNA è sostituita dall’uracile e lo zucchero

è il ribosio.

La rilevazione di DNA o RNA mediante biosensori è cruciale perché queste molecole rappresentano

marcatori molecolari estremamente specifici, espressi da batteri, virus, cellule normali o

tumorali. Individuare una sequenza specifica di DNA o RNA in un campione permette di

identificare la presenza di determinati organismi o condizioni biologiche.

Materiale genetico come analita

Il materiale genetico presente negli analiti di un campione biologico rappresenta un’informazione

fondamentale per la rilevazione mediante biosensori. La sua espressione dipende direttamente

dall’elemento biologico da individuare, come un virus o un batterio, e non dalla risposta

immunitaria dell’organismo.

Un esempio pratico è costituito dai test molecolari per il COVID-19, in cui veniva rilevato l’RNA

virale della proteina spike, permettendo di stimare la carica virale presente nel campione. Il

rilevamento di DNA o RNA costituisce quindi la base dei biosensori molecolari utilizzati durante la

pandemia.

Virus come analiti

I virus sono organismi microscopici con struttura semplice, costituiti da un rivestimento proteico

che racchiude DNA o RNA. A differenza dei batteri, non possono replicarsi autonomamente e

necessitano di infettare una cellula ospite. Sono responsabili di diverse malattie, come le infezioni

influenzali.

Dal punto di vista dimensionale, i virus sono molto più piccoli dei batteri, con dimensioni

dell’ordine di nanometri, rendendo la loro rilevazione più complessa.

La rilevazione dei virus può basarsi sia sull’identificazione del materiale genetico, sia sulla

presenza del virus completo. Individuare il virus intero conferma la presenza attiva del patogeno,

mentre rilevare solo il DNA o RNA può indicare tracce non attive. I biosensori capaci di identificare

il virus intero offrono diagnosi più rapide, ma richiedono un’elevata specificità per distinguere il

virus target da altre particelle presenti in campioni complessi, come la saliva.

L’RNA, pur essendo meno stabile del DNA, può essere rilevato efficacemente grazie a biosensori

rapidi e, quando necessario, a tecniche di amplificazione come la PCR, che aumentano la quantità di

materiale genetico disponibile per il rilevamento. Nella progettazione dei biosensori è quindi

essenziale considerare la stabilità dell’analita, poiché la sua degradazione può ridurre la sensibilità

del biorecettore.

Proteine come analiti