Il MIT mette a punto un raggio traente, ma solo a livello molecolare

Scienziati del MIT hanno creato un minuscolo chip in grado di manipolare cellule e particelle. Questo minuscolo dispositivo basato su chip è in grado di agire in un modo simile al “raggio traente” di Star Trek.

Questo dispositivo potrebbe essere utilizzato per studiare il DNA, identificare diversi tipi di cellule ed esplorare le cause alla base delle malattie. Si tratta di un mini-raggio traente, a livello molecolare, comunque molto utile.

Questo nuovo strumento si chiama integrated optical phased array (IOPA)  ed è stato utilizzato per creare queste pinzette ottiche integrate che possono catturare e manipolare le cellule a una distanza molto maggiore dalla superficie del chip rispetto alle pinzette ottiche normalmente utilizzate. 

I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Nature Communications.

Basato su un chip fotonico al silicio

Le trappole e le pinzette ottiche utilizzano fasci di luce focalizzati per catturare e spostare minuscole particelle biologiche, come cellule o molecole di DNA. 

La luce intensa al centro del fascio attira le particelle, mentre la direzione del fascio permette ai ricercatori di controllare il movimento e la posizione delle minuscole particelle.

Tuttavia, le pinzette ottiche tradizionali richiedono un grande sistema di microscopio da laboratorio, insieme a vari componenti per generare e controllare il fascio di luce. Ciò ne rende difficile l’utilizzo in molti ambienti.

Questa tecnologia basata su chip offre una soluzione più compatta, economica e versatile, perché il microscopico chip è lui stesso in grado di emettere i fotoni necessari ad ottenere lo spostamento dei frammenti di DNA.

“Con la fotonica del silicio, possiamo prendere questo grande sistema, tipicamente da laboratorio, e integrarlo in un chip. Ciò rappresenta un’ottima soluzione per i biologi, in quanto fornisce loro funzionalità di intrappolamento ottico e pinzatura senza l’onere di una complicata configurazione ottica di massa”, ha dichiarato Jelena Notaros, che è Robert J. Shillman Career Development Professor in Electrical Engineering and Computer Science (EECS).

Funzionamento delle pinzette ottiche

Inoltre questo tipo di dispositivo può spostare le molecole che si trovano maggiormente in profondità e per distanze maggiori, non solo sulla superificie dei materiali esaminati.

Questo dispositivo miniaturizzato si basa su un chip fotonico al silicio che emette un fascio di luce per controllare con precisione il movimento delle particelle entro pochi millimetri. È interessante notare che il fascio di luce può passare attraverso i coprioggetti di vetro che proteggono i campioni biologici, garantendo un ambiente sterile per le cellule.

“Questo lavoro apre nuove possibilità per le pinzette ottiche basate su chip, consentendo di intrappolare e pinzare le cellule a distanze molto maggiori rispetto a quanto dimostrato in precedenza”, ha aggiunto Notaros.

Uno sviluppo importante per studiare i processi cellulari

La tecnologia phased array ottica integrata utilizza un insieme di piccole antenne fabbricate su un chip di silicio. Questo è stato realizzato con tecniche di produzione di semiconduttori.

Secondo il comunicato stampa, i ricercatori possono controllare le caratteristiche del fascio di luce modificando elettronicamente i segnali inviati alle singole antenne.

“Nessuno prima d’ora aveva creato pinzette ottiche basate sulla fotonica del silicio in grado di intrappolare microparticelle su una distanza millimetrica. Si tratta di un miglioramento di diversi ordini di grandezza rispetto alle dimostrazioni precedenti”, ha dichiarato Notaros nel comunicato stampa.

I ricercatori hanno prima testato il dispositivo su sfere di polistirene e poi hanno provato a intrappolare e pinzare le cellule tumorali.
Il team ha dovuto affrontare alcune sfide, come lo sviluppo di metodi per il tracciamento semi-automatico delle particelle, la determinazione della forza ottimale della trappola e l’elaborazione efficace dei dati sperimentali.

Dopo aver superato diverse sfide, il team ha dimostrato con successo l’uso di pinzette ottiche a raggio singolo per la manipolazione delle cellule.

Questo sviluppo potrebbe consentire ai ricercatori di lavorare con le cellule in un ambiente più naturale, riducendo la contaminazione e lo stress.

Inoltre, questo controllo preciso sul movimento delle particelle è fondamentale per diverse applicazioni in biologia e medicina, in quanto consente ai ricercatori di studiare i processi cellulari, analizzare il DNA e sviluppare nuovi strumenti diagnostici e terapeutici.