Sensori chimici hi-tech per individuare gli inquinanti chirali

Sviluppare dei sensori chimici di ultima generazione, basati su ricettori molecolari nano-strutturati, con l’obiettivo di individuare la presenza nell’ambiente di pesticidi e inquinanti chirali. E’ questo il perno attorno a cui ruota il progetto INITIO (INnovative chemIcal sensors for enanTioselective detectIon of chiral pOllutants) coordinato dal’Università di Roma “Tor Vergata”. L’iniziativa è promossa nell’ambito del programma FET (Future and Emerging Technologies) in Horizon2020 (Call FETOPEN 2018-2020) e ha ottenuto un finanziamento totale di 2.930.000 di Euro.

Insieme a Roberto Paolesse, professore di Fondamenti Chimici per le Tecnologie presso il Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche dell’Università di Roma “Tor Vergata”, abbiamo approfondito alcuni aspetti del progetto.

Quali sono i risultati che intendete raggiungere con questa ricerca?

L’obiettivo è quello di riuscire a risolvere un problema attuale relativo all’inquinamento ambientale. Ci sono tutta una serie di composti che vengono immessi nell’ambiente, come ad esempio pesticidi o farmaci, che hanno la caratteristica di essere chirali. Queste sostanze hanno una struttura in cui i gruppi che costituiscono la molecola formano due immagini speculari l’una all’altra, così come avviene per le nostre mani. Il problema di questi inquinanti è legato al fatto che molto spesso il loro impatto ambientale non viene considerato in maniera adeguata, perché l’interazione che queste molecole possono avere con l’ambiente, tramite la degradazione biologica, è molto differente a seconda delle due versioni in cui si presentano. Ciò è dovuto al fatto che il nostro corpo, come tutti gli organismi viventi, è chirale, visto che è costituito da molecole chirali. Gli enzimi e il nostro DNA ad esempio sono formati utilizzando solo una delle forme speculari dei composti (amminoacidi e zuccheri) che li costituiscono.

Come varia la tossicità di queste molecole in base alle due diverse versioni strutturali?

Molto spesso una versione è molto tossica, mentre invece l’altra non lo è, oppure lo è di meno.  Per capire meglio facciamo l’esempio dei farmaci e in particolare prendiamo in considerazione la Talidomide, un antidolorifico e un anti nausea che veniva usato negli anni 60. Il problema in quel caso era che il farmaco era venduto come racemo, ovvero conteneva entrambe le forme, dette enantiomeri, della molecola. Tuttavia un enantiomero aveva il desiderato effetto antidolorifico, l’altra forma era invece anche teratogenica e ha portato alla nascita di un gran numero di bambini focomelici. Le due forme della molecola hanno le stesse proprietà e non sono distinguibili in un intorno simmetrico, ma se noi le mettiamo invece in un ambiente asimmetrico, come il nostro organismo, hanno una modalità di interazione completamente diversa. Mentre una forma della molecola chirale può avere l’azione desiderata, l’altra può essere inattiva oppure addirittura avere un’elevata tossicità. Il focus del nostro progetto è quello di creare dei sensori che siano in grado di distinguere tra queste due forme della stessa molecola. Si tratta di un problema complesso che, se risolto, permetterebbe di capire l’effettivo impatto ambientale dei composti chirali e in futuro consentirebbe di rimuoverli in maniera selettiva. Stiamo lavorando su questi temi.

Quali sono le caratteristiche dei sensori nanostrutturati a cui state lavorando?

Sono molecole che noi sintetizziamo in laboratorio e che cerchiamo di organizzare in nanostrutture chirali, in modo tale da renderle selettive per le molecole chirali. Un sensore è costituito da due importanti componenti: il recettore, ovvero il materiale sensibile che deve interagire con l’ambiente, e poi il trasduttore che invece mi deve dare il segnale che io vado a leggere. I materiali che noi vogliamo usare sono appunto organizzati in nanostrutture, ovvero in particelle con dimensioni inferiori ai cento nanometri. In questo modo possiamo organizzare le molecole nella giusta maniera per renderle selettive nei confronti di questi inquinanti, definiti emergenti perché non ancora normati per legge, ma che costituiscono un potenziale pericolo per la salute umana, secondo diversi studi scientifici.

Le realtà coinvolte nel progetto 

Nel complesso il partenariato del progetto è composto da sei università e due aziende.  Oltre a “Tor Vergata”, sono presenti il “Trinity College” (Irlanda), l’“Institute of Chemistry and Biology of Membranes and Nano-objects (CNRS)” dell’Università di Bordeaux (Francia), la “Tallinn University of Technology” (Estonia) e l’“Università di  Jyväskylä” (Finlandia), che si occuperanno della caratterizzazione dei materiali nano-strutturati, e l’Università del Salento (Italia), che trasferirà i materiali nanostrutturati sulla superficie dei sensori. Le aziende “Interspectrum” OU (Estonia) ed “Eurochem Italia” collaboreranno alla realizzazione dei dispositivi e ai test per le applicazioni sul campo. Il Gruppo Sensori dell’Università di “Tor Vergata”, costituito da ricercatori del Dipartimento di Scienze e Tecnologie Chimiche e dal Dipartimento di Ingegneria Elettronica, coordina il progetto occupandosi sia della preparazione dei materiali che dello sviluppo dei sensori e della realizzazione dei dispositivi da utilizzare.