Cibo: analisi più affidabili, rapide ed economiche

STAZIONE FUTURO: IN MOSTRA I NANOSENSORI DEL POLITECNICO DI TORINO

Tra gli oltre cento processi e prototipi scelti per rappresentare l’innovazione made in Italy, Stazione Futuro - la mostra curata da Riccardo Luna, direttore di Wired Italia, aperta dal 17 marzo alle Officine Grandi Riparazioni di Torino - presenta con un video i nanosensori realizzati dal ChiLab - Laboratorio Materiali e Microsistemi del Dipartimento di Scienza dei Materiali del Politecnico di Torino. Maggiore sensibilità delle analisi ed affidabilità dei risultati, riduzione di costi, tempi ed impatto ambientale: i vantaggi dei lab-on-chip e dei nanosensori biologici realizzati al Politecnico di Torino sono enormi se paragonati ai tradizionali metodi di analisi di laboratorio. La micro e nanosensoristica avanzata è la nuova frontiera per garantire la sicurezza e la qualità alimentare: per evidenziare nei cibi tracce di sostanze nocive o che generano intolleranze, per la detection della proteina prionica PrP (che può causare l’encefalopatia spongiforme, conosciuta come “mucca pazza”) o di estrogeni nelle carni, o di batteri patogeni nelle produzioni industriali. Un settore con ampie ricadute economiche - l’agro-alimentare è il settore produttivo più grande in Europa (12,9% - CIAA, Annual Report 2009 – www.ciaa.be) - e sociali, basti pensare alla qualità ed alla sicurezza nelle mense pubbliche.

NANO-BIOSENSORI MECCANICI: CANTILEVERS Il gruppo di ricerca ChiLab del Politecnico di Torino, coordinato dal Prof. Fabrizio Pirri, è l’unico in Italia che studia, realizza e soprattutto “ingegnerizza” i nano-biosensori meccanici. “La difficoltà – spiega Carlo Ricciardi, 35 anni, PhD al Politecnico - non è produrre i sensori, ma assicurarsi che facciano una buona misurazione: che abbiano cioè la più alta sensibilità (reagiscano anche in presenza di quantità minime di sostanza) e selettività possibile (reagiscano cioè solo ad una definita molecola)”.

I nano-biosensori meccanici, detti anche CANTILEVERS (cioè travi fissate ad una estremità) sfruttano la variazione di risonanza delle leve, cioè i cambiamenti delle loro proprietà meccaniche dovuti alla presenza/assenza di determinate molecole. L’innovazione di questo tipo di ricerca risiede proprio qui: si utilizza un metodo meccanico - e non chimico - per capire interazioni di tipo molecolare. Un metodo che permette analisi più precise, su campioni più piccoli e anche per sostanze presenti in quantità minime. Il sensore funziona come una bilancia: può essere statico (si muove per ‘reazione’ se intercetta la molecola a cui è sensibile, non per la modifica del peso) o dinamico. Il gruppo del Politecnico di Torino lavora sul secondo tipo: la leva si muove comunque, ciò che varia è la frequenza di risonanza che è inversamente proporzionale alla massa/peso, se intercetta qualcosa diventa quindi più lenta. La presenza di un batterio fa cambiare la frequenza di risonanza: il sensore ‘comunica’ mediante un segnale laser, registrando la modifica della sua riflessione.

IL MICRO LABORATORIO: LAB-ON-CHIP I nano-biosensori vengono integrati sui lab-on-chip (LOC) un dispositivo microfluidico (con micro canali e altri dispositivi miniaturizzati) che integra tutte le operazioni tradizionalmente svolte da un laboratorio in uno spazio di pochi centimetri, ovvero da 100 a 1000 volte più piccolo.

Un filone di ricerca che in Italia, oltre al Politecnico di Torino, è seguito dalla Scuola Superiore Sant’Anna di Pisa e dall’Università di Lecce; nel mondo in Germania, Gran Bretagna e USA.

I lab-on-chip consentono un notevole risparmio in termini di costi: un sensore realizzato con polimeri, se prodotto su scala industriale, costa meno di 1 centesimo di euro – limitando l’uso di reagenti chimici – riduce l’impatto ambientale delle analisi. Inoltre, le analisi sono molto più veloci (anche di 10 volte) e soprattutto più sensibili, su campioni di ridotte quantità e con una ridotta probabilità di errore. Visto lo scarso ingombro è possibile realizzare kit portatili per l’analisi sul campo, con importanti applicazioni ad esempio per la tracciabilità degli OGM, l’analisi delle acque e sugli animali da allevamento.

LE APPLICAZIONI

NANOSENSORI PER LA DIAGNOSI DI “MUCCA PAZZA” Il gruppo di ricerca ChiLab-Latemar del Politecnico di Torino sta collaborando allo sviluppo di un tool diagnostico per rilevare la presenza del prione PrP (proteina che nella sua forma patogena causa l'encefalopatia spongiforme: la BSE nei bovini, Scrapie negli ovini, morbo di Creutzfeldt-Jakob negli uomini) nel sangue degli animali vivi (dove la concentrazione è bassissima) e non dal tessuto del cervello, come avviene attualmente. La ricerca è svolta in collaborazione con l’Istituto Zooprofilattico del Nord-Ovest - Centro di referenza nazionale per lo studio sulle encefalopatie animali - e IDEXX, multinazionale statunitense con diverse sedi europee (il Politecnico collabora con i laboratori svizzeri di Berna) specializzata nella produzione di tool diagnostici (nel secondo trimestre 2010 il fatturato IDEXX ha superato i 280 milioni di dollari). Il prione diventa patogeno (dando origine all'encefalopatia) solo se degenera in una determinata forma: è quindi molto difficile da individuare. La collaborazione vuole integrare le competenze di IDEXX - che ha sviluppato un polimero in grado di riconoscere il prione – e l’elevata sensibilità dei nanosensori sviluppati dal Politecnico.

DETECTION DI ESTROGENI NEGLI ALLEVAMENTI Gli allevatori sono sempre più abili nel mascherare l’uso di estrogeni, riuscendo ad ingannare le analisi del sangue. Con gli attuali strumenti, l’unico modo poco costoso per verificare l’uso di queste sostanze è verificare i danni collaterali che arrecano ad esempio al fegato degli animali. Ma si tratta di analisi fattibili solo in fase di macellazione. Le microbilance a cantilever rappresentano una delle tecniche più promettenti in fase di sviluppo: la loro alta sensibilità permette infatti di segnalare concentrazioni estremamente basse di estrogeni nel sangue degli animali vivi.

La Regione Piemonte, nell’ambito del Polo di Innovazione Biotecnologie e Biomedicale - BioPMed, ha recentemente approvato un progetto per la messa a punto di un kit per la detection di estrogeni usati per ‘dopare’ gli animali da allevamento. Il progetto - in collaborazione con l’Istituto Zooprofilattico del Nord-Ovest - si propone di trasferire la metodologia a base cantilever dalla realtà accademica (Politecnico di Torino) a quella industriale, coinvolgendo diversi attori del processo innovativo piemontese tra cui Biodiversity SpA, Microla Srl, Techfab Srl e Trustech Srl. INTOLLERANZE ED ALLERGIE ALIMENTARI I controlli in collaborazione con gli Istituti Zooprofilattici

LA CERTIFICAZIONE I produttori sono obbligati a segnalare sull’etichetta se un alimento contiene un certo ingrediente (ad es. il glutine) ma non sono tenuti a dichiarare se c’è stata una contaminazione. Se l’etichetta riporta ”Senza fonti di glutine” non esiste quindi la garanzia che il prodotto non sia stato contaminato: solo dal 2012 sarà attiva una norma europea in materia, ad oggi la certificazione sull’assenza di contaminazioni è affidata ad associazioni private.

I CONTROLLI e LA DIAGNOSI Le aziende produttrici devono poter dimostrare di non aver usato un certo ingrediente, ma non sono perseguibili per la contaminazione. Le mense pubbliche (obbligate per legge a garantire un pasto idoneo a chi presenta intolleranze alimentari, ad es. nel caso di celiachia) possono invece andare incontro a seri problemi se insorgono casi di intolleranze o allergie.

Gli Istituti Zooprofilattici – incaricati dei controlli – devono così far fronte a numerose richieste di analisi di conferma da parte di aziende timorose di perdere forniture. Trattandosi di contaminazioni - ovvero sostanze presenti in percentuali bassissime – gli organi di controllo ufficiale (quali gli istituti zooprofilattici) dovrebbero ricorrere ad analisi estremamente sensibili, che solo laboratori esterni molto costosi sono in grado di fornire. I forti limiti di spesa degli enti pubblici li costringono però ad usare tecniche di analisi interne, poco avanzate e poco affidabili. Serve quindi una tecnica di screening molto precisa e poco costosa, come quella garantita dai cantilevers integrati su lab-on-chip.

Il gruppo del Politecnico sta mettendo a punto un kit di diagnosi per rilevare la presenza di queste sostanze. Grazie alla tecnologia sviluppata da Microla - spin-off del gruppo - è in grado di fornire tutta la filiera di analisi, non solo quindi i sensori, ma le macchine di lettura complete. Il progetto, finanziato dal Ministero della Salute in collaborazione con l’Istituto Zooprofilattico del Nord-Ovest (Piemonte-Liguria-Valle d’Aosta), riguarda la detection di ingredienti allergenici nei cibi, soprattutto crostacei, latte, fragole, pesche e noccioline (gli allergeni sono piccole proteine o polipeptidi normalmente ben tollerati dall’organismo, ma che in alcuni individui danno origine a reazioni patologiche).

CONTROLLI SULLE PRODUZIONI INDUSTRIALI Migliorare la qualità e la sicurezza della catena alimentare, convogliando competenze multidisciplinari che vanno dalle nanotecnologie alla microbiologia, dall’ICT alla chimica analitica. Questo l’obiettivo del progetto NAMATECH, una delle prime applicazioni italiane di “Converging Technologies” nel settore agroalimentare, finanziato da un Bando della Regione Piemonte del 2007. Un progetto triennale, coordinato dal Politecnico di Torino in collaborazione con l’Università di Torino, l’Istituto Nazionale per la Ricerca Metrologica (INRIM), il Parco Scientifico e Tecnologico Tecnogranda, alcune aziende del Gruppo FERRERO e Unicomp Informatica srl. Le aziende alimentari devono accertare nel ciclo di produzione l’assenza di batteri (microrganismi alteranti come lo stafilococco, o patogeni come la Salmonella) e contaminanti dannosi quali, ad esempio, le micotossine (agenti tossici e cancerogeni). Essendo sufficiente una contaminazione in percentuali minime (ppb cioè parti per miliardo) si usano tecniche molto sofisticate, costose e svolte da laboratori specializzati. Queste tecniche, oltre a richiedere grandi investimenti e personale qualificato, non sono implementabili in linea di produzione perché necessitano di una complessa preparazione del campione, che tra l’altro può non essere completamente rappresentativo del prodotto alimentare.

I nanosensori biologici e chimici (cantilevers) permettono invece una diagnosi tempestiva e precisa su quantitativi minimi, anche su singole cellule: il progetto prevede di integrarli su Lab-On-Chip che – inseriti su piattaforme elettroniche collegate da un network wireless - permettono un’analisi in tempo reale sulla linea di produzione. Nell’ambito di Namatech, Ferrero sperimenterà quindi un sistema di controllo capillare della sicurezza alimentare all’interno dell’azienda, attraverso metodi analitici più sensibili, rapidi ed economici.

Il Laboratorio Materiali e Microsistemi del Politecnico di Torino conta circa 50 ricercatori con competenze multidisciplinari, dalla fisica all'ingegneria, dalla chimica alla biologia, dalla ricerca di base al trasferimento tecnologico. Coordinato dal Prof. Fabrizio Pirri, il gruppo di ricerca del ChiLab gestisce un budget annuo complessivo di circa due milioni di euro, grazie a progetti regionali, nazionali, europei e a numerose collaborazioni industriali. Dalla sua attività sono nati recentemente 3 spin-off: Microla Optoelectronics Srl nel campo della optoelettronica, Politronica InkJet Srl per l'elettronica flessibile e Nanosynthex Srl, impegnata nel campo della diagnostica molecolare. Chilab è un centro di riferimento per le micro e nanotecnologie ed è responsabile del coordinamento del Laboratorio di Eccellenza del MIUR LATEMAR, centro di riferimento per le applicazioni biologiche e molecolari delle micro e nanotecnologie.

www.polito.it/micronanotech - www.latemar.polito.it

Referente Comunicazione ChiLab - Latemar Barbara Magnani cell. 339 30 96245 - magnanibarbara@gmail.com

Politecnico di Torino - Tiziana Vitrano, Resp. Ufficio Relazioni con i Media tel. 011 5646183 - relazioni.media@polito.it