> FocusUnimore > numero 19 – ottobre 2021
BORGES – Biosensing with organic electronics
A Marie Curie Skłodowska European training network
The Marie Curie Sklodowska “BORGES“ project (Biosensing with organic electronics) involves 12 European partners coordinated by Unimore, in particular by Professor Carlo Augusto Bortolotti of the Department of Life Sciences, and puts together expertise of the academic world, of research entities and companies linked to organic bioelectronics. The project has been funded by the EU with nearly 4 million Euros (522,000 to Unimore) and despite the considerable difficulties caused by the pandemic, BORGES is successfully proceeding towards the conclusion of the 3rd of the 4 year on schedule. In addition to Professor Bortolotti, Professor Fabio Biscarini and Professor Marcello Pinti of the Department of Life Sciences are also involved in the project.
In particular, BORGES works on the development of biosensors based on organic transistors. One of the main research activity areas of BORGES members is the use of this technology to develop biosensors to measure biomarkers related to inflammation and the emergence and development of autoimmune diseases. Pamela Manco and Kateryna Solodka, Phd students at the Department of Life Sciences, have developed biosensors based on the EGOFET technology – whose use Professor Biscarini was a pioneer – to measure soluble proinflammatory molecules and a neuronal protein released by cells of the central nervous system in some autoimmune based diseases, like multiple sclerosis.
An important study and research project that is achieving remarkable results, BORGES is an interdisciplinary training project that gives the Phd students involved the opportunity to move and exchange ideas and methods, that during the pandemic emergency were limited but that continued in virtual mode while allowing the establishment of interesting and promising collaborations between the research groups involved.
La strada per portare i biosensori basati sull’elettronica organica dal laboratorio al letto del paziente è ancora lunga, ma il progetto Marie Curie Skłodowska (MSCA-ITN-ETN) “BORGES”, coordinato dal prof. Carlo Augusto Bortolotti del Dipartimento di Scienze della Vita di Unimore sta muovendo importanti passi in questa direzione.
BORGES, acronimo di “Biosensing with organic electronics”, è un consorzio di 12 partner europei coordinato da Unimore, che unisce expertise del mondo accademico, di enti di ricerca e di aziende legati alla bioelettronica organica.
Il progetto, che rientra nel programma Marie Curie Skłodowska European Training Network (MSCA-ITN-ETN), è stato finanziato dall’UE con quasi 4 milioni di Euro (di cui 522.000 ad Unimore).
Nonostante le notevoli difficoltà causate dalla pandemia, BORGES sta procedendo con successo verso la conclusione del 3° dei 4 anni totali del progetto. Oltre al prof. Bortolotti, sono coinvolti nel progetto anche il Prof. Fabio Biscarini e il prof. Marcello Pinti sempre del Dipartimento di scienze della vita.
La bioelettronica organica è un campo interdisciplinare in rapida crescita, che comprende dispositivi elettronici organici che mostrano conduttività mista elettronica e ionica, e la realizzazione di biosensori è una delle applicazioni scientificamente e industrialmente più promettenti della (bio)elettronica organica.
In particolare, il consorzio BORGES lavora sullo sviluppo di biosensori basati su transistor organici. I transistor organici, come molti dei loro omologhi inorganici, sono dispositivi in grado di amplificare una piccola variazione di potenziale in una sensibile variazione di corrente. Sono costituiti da tre elettrodi, generalmente denominati source (S), drain (D) e gate (G). Un film di semiconduttore organico collega source e drain, formando il canale del transistor, e il gate è collegato al canale attraverso un materiale dielettrico. Nel caso degli EGOT (Electrolyte-Gated Organic Transistor) , un elettrolita funge da dielettrico tra il gate e il semiconduttore. A seconda di come gli ioni presenti nell’elettrolita interagiscono con il semiconduttore, sono stati definiti due diversi tipi di EGOT, chiamati rispettivamente “Organic Electrochemical Transistor” (OECT) e “Electrolyte Gated Organic Field Effect Transistor” (EGOFET). Entrambi i tipi di transistor sono oggetto di studio e applicazione da parte del consorzio BORGES.
Una delle aree di più intensa attività di ricerca dei membri di BORGES è l’utilizzo di questa tecnologia per sviluppare biosensori utili a misurare biomarcatori legati all’infiammazione e alla comparsa e sviluppo di malattie autoimmuni.
Le dottoresse Pamela Manco e Kateryna Solodka, dottorande presso il Dipartimento di Scienze della Vita di Unimore, hanno messo a punto biosensori basati sulla tecnologia EGOFET – del cui utilizzo come biosensori è stato fra i pionieri il prof. Biscarini – per misurare l’Interleuchina 6 e l’Interleuchina 1beta, due molecole solubili proinfiammatorie, e la proteina NF-L, una proteina neuronale rilasciata dalle cellule del sistema nervoso centrale in alcune malattie a base autoimmune, come la Sclerosi multipla.
Questo lavoro è svolto in stretta connessione con l’Università di Linkoping (LIU), in Svezia. Alla Facoltà di medicina della LIU, infatti, Sara Hojjati lavora per l’identificazione di nuovi biomarcatori per la prognosi e la risposta al trattamento nella sclerosi multipla. Sono stati trovati finora più di trenta biomarcatori proteici rilevanti analizzando campioni di plasma e liquido cerebrospinale.
Questi nuovi biomarcatori sono ora al vaglio per identificare i più promettenti da utilizzare come molecole bersaglio in una piattaforma di biorilevamento basata su transistor elettrochimici organici. Questa attività è svolta anche con il contributo dell’ Università di Strasburgo, dove Pietro Livio sta lavorando sotto la supervisione del prof. Samorì per migliorare la specificità e selettività di transistor a base di grafene verso questi stessi biomarcatori.
Il dottor Petris Panagiotis, dottorando in forza alla company Siemens, ha nel frattempo sviluppato un sistema di machine learning per l’analisi descrittiva e predittiva di dati biologici, con l’obiettivo sviluppare strumenti bioinformatici a supporto dello studio di eventi di bioriconoscimento tra molecole di interesse e ligandi immobilizzati sulla superficie del biosensore.
Allo stesso modo, la dottoressa Larissa Hütter sta lavorando presso l’Istituto di Bioingegneria catalano ad un modello teorico di predizione della risposta di un dispositivo EGOFET.
In BORGES viene favorita anche l’integrazione delle tecnologie legate all’elettronica organica con altre tecniche di investigazione, al duplice scopo di sviluppare sistemi ibridi di rilevazione e raccogliere maggiori informazioni sugli aspetti fondamentali legati al funzionamento dei dispositivi elettronici organici.
Per quanto riguarda la prima finalità, il dottor Roger Hasler, presso l’Istituto Austriaco di Tecnologia, sta lavorando allo sviluppo di un nuovo sistema di sensori basato su una doppia rilevazione ottica ed elettrica utilizzando fibre ottiche rivestite in oro come elettrodi di gate in una configurazione di Electrolyte Gated FET. Il dottor Shubham Tanwar (presso l’Istituto di Bioingegneria di Catalogna) e il dottor Mohamed Awadein (presso la company Keysight) si muovono invece nella seconda direzione. Il primo sviluppa e applica microscopie a scansione di sonda per l’investigazione in ambiente liquido di un transistor funzionante, al fine di determinarne le proprietà elettriche su scala nanometrica. Il secondo concentra i suoi sforzi principalmente sulla combinazione del microscopio a effetto tunnel elettrochimico convenzionale ECSTM con la misurazione alle frequenze nel range dei GHz.
Anche il miglioramento dei substrati su cui legare gli elementi utilizzati per il bioriconoscimento è un passaggio cruciale nello sviluppo di biosensori efficaci. Il dottor Tommaso D’Alvise, dottorando in forza al Max Planck Institute in Germania, sta sviluppando nuovi film sottili polimerici per migliorare l’immobilizzazione di elementi di bioriconoscimento in bioelettronica. Sono stati sintetizzati con successo diversi materiali polimerici da monomeri bioderivati, sui quali sono presenti diversi gruppi funzionali (ammine e acidi carbossilici) che possono essere sfruttati per il legame di anticorpi e aptameri. Questi film ultrasottili saranno applicati per la realizzazione di transistor OECT e EGOFET utili a rilevare biomarcatori di malattie infiammatorie.
Un passaggio fondamentale per avere un dispositivo utilizzabile al letto del paziente è quello di ottimizzare la rapida fabbricazione di dispositivi affidabili ed economici che possano essere prodotti su vasta scala. Presso la sede di un altro membro svedese del consorzio, RISE, il dottor Anatolii Makhinia sta testando varie tecniche di stampa, ad esempio, serigrafia, getto d’inchiostro e stampa a getto di aerosol, e loro combinazioni per la fabbricazione dei transistor OECT ed EGOFET. In parallelo, Pooya Azizian e Larissa sta sviluppando, nella sede di LEITAT, a Barcellona, un sistema di fabbricazione rapida ed economica di produzione di dispositivi che integrano l’elettronica organica ad un sistema di microfluidica, utilizzando sistemi di stampa 3D stereolitografica. Allo stesso modo, il dottor Deniz Saygin sta sviluppando sistemi di fabbricazione di microfluidica presso l’Istituto Italiano di Tecnologia di Ferrara, che si è recentemente aggiunto al consorzio.
Il passaggio ulteriore, che occuperà l’ultima parte del progetto, sarà quello di integrare i biosensori con un sistema di microfluidica, e di testarli su campioni biologici per confermarne la specificità e sensibilità, ed implementare un sistema che consenta di misurare più molecole su una stessa piattaforma, nello stesso momento.
Aldilà dei notevoli risultati scientifici ottenuti finora, uno dei punti nodali di un progetto di formazione interdisciplinare come BORGES, che rientra nel programma Marie Curie Slodowska Action, è la possibilità di movimento tra i dottorandi e le dottorande arruolati, utile alla loro formazione trans-disciplinare.
Era stato per questo previsto un ambizioso piano di secondment (frequenza per brevi periodi presso altri laboratori del consorzio), così da accrescere le loro competenze e favorire lo scambio di idee e metodi. L’emergenza legata alla pandemia di Covid-19 ha fortemente limitato questa opportunità, ma ha anche attivato nuove risorse per reagire in modo proattivo e il piano dei secondment è stato riprogettato al fine di riprogrammare i distacchi nella seconda metà del progetto e ha inoltre previsto, quando fattibili, secondment “virtuali/remoti” per favorire l’interazione tra i beneficiari. Questi distacchi “virtuali/remoti” sono stati attuati a partire da gennaio 2021 e si sono rivelati molto efficaci nonostante la distanza fisica.
Anche grazie a queste modalità di cooperazione non convenzionali sono state così stabilite collaborazioni interessanti e promettenti tra i gruppi di ricerca coinvolti nel progetto coordinato da Unimore.