Un progetto di ricerca multidisciplinare dedicato allo sviluppo di biosensori ottici nanostrutturati per distinguere le due forme delle molecole chirali: è questo il focus del lavoro di Alexa Guglielmelli, tra le vincitrici del Premio L’Oréal‑UNESCO “For Women in Science” Young Talents Italia 2025.

Biofisica di formazione, Guglielmelli ha svolto i suoi studi universitari all’Università della Calabria, dove si è occupata dell’utilizzo di tecniche fisiche nello studio di proteine correlate allo sviluppo di malattie degenerative. Durante il dottorato sulla terapia fototermica con nanoparticelle di oro, ha trascorso un periodo all’estero e in altre università, dedicandosi ad applicazioni antimicrobiche e su cellule di glioblastoma. Da quattro anni è rientrata all’Unical, dove è assegnista di ricerca del Nanoscience Laboratory for Human Technologies, guidato dal prof. Giuseppe Strangi.

In cosa consiste il progetto di ricerca?

«BIO-META (Biointegrated Metasurfaces for Chiral Liquid Biopsy) è un progetto a cavallo tra la medicina e le nanotecnologie che ha l’intento di progettare, fabbricare e caratterizzare sensori ottici nanostrutturati per rilevare molecole chirali di interesse biomedico.

Le molecole chirali sono molecole che esistono in due forme apparentemente identiche, speculari ma non sovrapponibili, dette enantiomeri, destro e sinistro. Le molecole chirali sono naturalmente presenti nei fluidi biologici, mentre in ambito farmaceutico molti principi attivi sono essi stessi molecole chirali, spesso commercializzate come miscele racemiche, che contengono entrambi gli enantiomeri in uguale proporzione.

Diversi studi riportano che la predominanza di un metabolita chirale può essere correlato con l’insorgere di una determinata patologia, come il diabete o alcuni tipi di tumore, per cui monitorare le alterazioni nei livelli di alcuni biomarcatori chirali può offrire un percorso promettente verso la diagnosi non invasiva. Allo stesso tempo, le due forme enantiomeriche di una molecola farmacologica possono avere effetti biologici diversi sull’organismo umano. Per questi motivi, distinguere le molecole chirali è importante sia in campo diagnostico che in campo terapeutico».

Che tipo di tecniche fisiche vengono utilizzate per individuare le molecole chirali?

«Utilizziamo tecniche ottiche: misuriamo come la luce interagisce con i sensori nanostrutturati sia in assenza che in presenza delle molecole che intendiamo rilevare, quantificando le differenze, in termini di segnali ottici, fra le due diverse configurazioni.

Una componente essenziale per l’analisi sperimentale è la luce: per lo studio delle molecole e nanostrutture chirali, si utilizza luce polarizzata circolarmente. Possiamo immaginare un raggio di luce che avanzando ruota, come un’elica, e che può farlo in entrambi i versi, destro e sinistro. Quando un fascio di luce polarizzata interagisce con il sensore nanostrutturato, viene riflesso o assorbito, producendo un determinato segnale ottico che viene raccolto e analizzato dai nostri strumenti.

I sensori presentano delle strutture di scala nanometrica, come una serie ripetuta di piccoli triangoli, cilindri o altre forme più complesse. Essi sono realizzati soprattutto in oro, un metallo nobile e biocompatibile, che ha peculiari proprietà ottiche. Ogni piccola caratteristica geometrica della nanostruttura modifica il modo in cui questa interagisce con la luce, e il segnale ottico che ne consegue, così come il materiale di cui è fatta.

Una volta registrata l’interazione del sensore con la luce, si fa fluire su di esso il fluido contenente le molecole chirali che vogliamo esaminare. Il modo in cui questo sistema – costituito dal sensore e dal campione – interagisce con la luce è diverso da quanto osservato per il solo sensore. Questa differenza può essere quantificata con lo scopo di misurare la concentrazione della molecola che sta interagendo con la superficie, individuando la presenza o l’eccesso di uno degli enantiomeri».

Che tipo di campioni vengono analizzati?

«Nelle prime fasi dello studio, la struttura viene testata con “molecole modello” di cui si conoscono meglio le caratteristiche e il comportamento. Abbiamo utilizzato farmaci come l’ibuprofene, oppure aminoacidi come il triptofano. La molecola viene testata inizialmente in soluzione acquosa, aumentando via via la complessità del fluido in cui è disciolta per simulare le caratteristiche di fluidi biologici come la saliva o il plasma.

Lo studio su fluidi biologici sarà parte di una fase successiva del progetto, poiché comporta una serie di sfide aggiuntive: la difficoltà in questo caso è individuare e distinguere il marker cercato tra le altre molecole non specifiche presenti in un campione biologico, che possono interferire con la misura. Proprio per ridurre questo rischio, un altro punto chiave sarà rivestire le piattaforme nanostrutturate con uno strato biomimetico che si ispiri alle membrane cellulari, le quali hanno di per sé la capacità di respingere alcune molecole non specifiche. Accanto a questa strategia, si affiancherà l’uso di recettori specifici, per massimizzare il riconoscimento delle molecole target».

In cosa consiste la multidisciplinarietà del progetto?

«L’assunto di fondo del progetto è di per sé multidisciplinare, poiché applica le tecniche della fisica al mondo della biomedicina. BIO-META è altamente multidisciplinare anche nella sua realizzazione pratica. Le fasi di progettazione e caratterizzazione ottica vengono seguite da tutto il gruppo di ricerca del laboratorio NLHT, ma abbiamo anche collaborazioni con altri gruppi di ricerca nazionali ed internazionali per la fabbricazione delle strutture o per la preparazione dei campioni biologici. Inoltre, lavorare in un campus come quello dell’Università della Calabria offre la possibilità di interagire in modo più diretto e immediato con biologi, chimici, medici, creando un terreno fertile per la multidisciplinarità».

Che peso ha nel suo percorso di ricerca un premio come il L’Oreal-UNESCO “For Women in Science”?

«Sono molto onorata di aver ricevuto questo premio, che è un riconoscimento non solo personale, ma anche all’eccellenza del lavoro che viene svolto nel laboratorio NLHT e alla formazione che ho ricevuto all’Unical. Ho avuto la possibilità sin dall’inizio del mio percorso di entrare in contatto con laboratori di ricerca di alto livello. Spero che questo premio sia un’occasione per dare maggiore visibilità alla nostra ricerca e ci permetta di sviluppare ulteriori collaborazioni e avviare sinergie che portino a sviluppi importanti».