RICERCA ITALIANA     

LAboratorio di Tecnologie Elettrobiochimiche Miniaturizzate per l'Analisi e la Ricerca (LATEMAR)

Politecnico di Torino

Abstract

Il convergere dei progressi della genomica, della postgenomica e della proteomica, con quelli delle micro e nano-tecnologie, consentono di guardare con grandi aspettative allo sviluppo dello strategico mercato della terapeutica e diagnostica nei settori biomedico, farmacologico ed agro-alimentare, in particolare in aree fortemente innovative quali le analisi del DNA, RNA, proteine, altre molecole biologiche e cellule.. Questo richiede però lo sviluppo di sistemi ad alta integrazione in grado di effettuare rapidamente ed in modo automatico migliaia di complessi esami biochimici per superare i limiti delle tecnologie attualmente impiegate che sono evidenti e presentano carattere ostativo anche verso potenziali campi applicativi ancora inesplorati. Questo pare peraltro fattibile alla luce dei recenti sviluppi scientifici e tecnologici in campi quali la microelettronica, le micro e nano-tecnologie, la scienza dei materiali e delle superfici (in particolare in relazione alle interazioni fra materiali sintetici e molecole biologiche), l'informatica, la genomica e la proteomica.
E' quindi strategica la creazione di un laboratorio che affronti tali tematiche con unitarietà di guida, scopi e strategie. Allo scopo di diminuire i tempi e le risorse da impiegarsi si propone la costituzione di un "Laboratorio Diffuso" da realizzare aggregando e coordinando centri di eccellenza nella ricerca di base nelle diverse discipline necessarie per lo sviluppo di nano-dispositivi e sensori per genomica e post-genomica con centri di sviluppo di aziende altamente qualificate attorno ad una strategia unitaria di medio e lungo termine.
Per realizzare tale aggregazione efficacemente e a costi accettabili, è necessario che il Laboratorio si articoli in diverse unità di ricerca, ciascuna localizzata presso la propria sede originale laddove essa può avvalersi sia delle infrastrutture e delle strumentazioni necessarie che delle collaborazioni più idonee al mantenimento del proprio livello di eccellenza nella specifica disciplina di cui si occupa.
Naturalmente la realizzazione di un simile "Lab. Diffuso," in grado di operare unitariamente seppure basato su numerose unità che non solo sono geograficamente separate ma che provengono anche da realtà culturali così diverse, richiede una guida scientifica di alta qualità in grado di garantire uno stretto coordinamento delle unità nonché la definizione e condivisione di precise strategie, sia in termini di obiettivi da perseguire che di metodologie organizzative e gestionali.
Il laboratorio opererà in modo competitivo, a livello nazionale ed internazionale, sviluppando e validando dispositivi avanzati e sensori per genomica, post-genomica e proteomica finalizzati alla diagnostica ad alta automazione per la medicina,la farmacogenomica e l'agroindustria. Le soluzioni previste introdurranno un miglioramento significativo rispetto alle tecnologie esistenti in termini sensibilità, riduzioni di costi, velocità, predisposizione all'automazione, affidabilità e ripetibilità. Con tali sistemi sarà possibile anche estendere i campi di applicazione della diagnostica molecolare ampliando un mercato già vasto e competitivo.
Le ricerche da avviare con la presente proposta possono essere raggruppate in due direttrici: lo sviluppo di tecniche micromeccaniche per l'identificazione di sequenze di DNA, o di altre biomolecole, senza amplificazione e lo sviluppo di tecniche di rivelazione per ElettroChemiLuminescenza (ECL) applicabili a microsistemi (DNA microarray ed altro).
La prima direttrice studierà lo sviluppo di microbilance del tipo a cantilever miniaturizzabili e realizzabili in numero elevato in forma di array su singolo chip ("cantarray).
La seconda direttrice si concentrerà sullo sviluppo di tecnologie ECL applicabili alla rivelazione del segnale. Lo sviluppo di tecnologie ECL applicabili alla rivelazione del segnale in sistemi diagnostici miniaturizzati costituirebbe un breakthrough di notevole rilevanza. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Candido PIRRI, Politecnico di TORINO

Obiettivo del Finanziamento

L'obiettivo strategico complessivo dell'iniziativa proposta è la costituzione di un laboratorio che operi in modo competitivo, a livello nazionale ed internazionale, sviluppando e validando dispositivi avanzati e sensori per genomica, post-genomica e proteomica finalizzati alla diagnostica ad alta automazione per la medicina,la farmacogenomica e l'agroindustria. Le soluzioni previste introdurranno un miglioramento significativo rispetto alle tecnologie esistenti in termini sensibilità, riduzioni di costi, velocità, predisposizione all'automazione, affidabilità e ripetibilità. Con tali sistemi sarà possibile anche estendere i campi di applicazione della diagnostica molecolare ampliando un mercato già vasto e competitivo.
Il Laboratorio verrà costituito dalla aggregazione coordinata e continuativa di unità operative distribuite sul territorio nazionale, ma operanti in stretto collegamento su progetti congiunti e con strategie condivise. Le unità di ricerca hanno sia carattere pubblico che privato e, nell'insieme, sono in grado di coprire adeguatamente tutti gli aspetti multidisciplinari inerenti lo sviluppo di questi sistemi. Tali unità garantiscono non solamente una eccellenza scientifica, ma anche la disponibilità consolidata delle piattaforme tecnologiche, delle attrezzature scientifiche e della organizzazione logistica necessarie per operare a tutto campo sulle tematiche del laboratorio: dalla ricerca di base alla formulazione di progetti di dispositivi di interesse diagnostico / clinico, dalla loro verifica di laboratorio alla prototipazione, allo sviluppo adeguato e ad una traduzione in prodotti industriali.
A breve-medio termine ci si propone inoltre di raggiungere i risultati previsti nella proposta di "Ricerche funzionali agli obiettivi del laboratorio" illustrate nella successiva Parte III e da avviare e finanziare con l'approvazione della presente proposta. Essi in sintesi prevedono sia lo sviluppo di prototipi di "lab-on-chip" per diagnostica genetica e proteomica mediante tecnologie di micro- e nano-elettronica e di MEMS (Sistemi Micro-ElettroMeccanici) sia lo studio e lo sviluppo di sistemi di rivelazione avanzati per migliorare quello che pare oggi l'aspetto limitante nella realizzazione di dispositivi affidabili ad alta sensibilità.
La prima parte di questo progetto di ricerca a breve-medio termine potrà avvalersi delle avanzate tecnologie disponibili presso i partner tecnologici sia pubblici che privati del progetto (Politecnico di Torino e Olivetti); esse sono tali da consentire di prevedere che in breve tempo si possa pervenire, grazie anche alla guida dei partner "end-user" ed alla collaborazione dei chimici organici e dei biochimici, alla realizzazione di sistemi DNA/Protein arrays e MEMS in grado di effettuare diagnostica sia con marcature di tipo tradizionale (fluorescenza).sia con le nuove metodiche di rivelazione mediante Elettro-Chemi-Luminescenza (ECL) sviluppate nel corso del progetto. Inoltre nel progetto avrà particolare rilievo lo sviluppo di una nuova generazione di array miniaturizzati ("cantarray"), basati su microbilance ("cantilever"), al fine di migliorare significativamente in termini di sensibilità e precisione i metodi esistenti..
Lo sviluppo di "cantarrays" si baserà sull'esperienza maturata nel campo delle micro e nano-tecnologie da parte del Laboratorio Materiali e Microsistemi di Chivasso, afferente al Politecnico di Torino, e della facoltà di Ingegneria di Brescia, nel campo delle metodologie di funzionalizzazione di superfici per l'immobilizzazione di biomolecole da parte dell'IRST di Trento e nel campo del trattamento di superfici nanostrutturate da parte del Parco Scientifico e Tecnologico per l'Ambiente di Torino. Le infrastrutture e la competenza industriale dell'unità Telecom/Olivetti I-Jet assicurano un forte indirizzamento delle metodiche scelte verso il più rapido percorso applicativo su larga scala. L'obiettivo perseguito sarà la messa a punto di tecnologie micro e nano che traggano spunto dal mondo della microelettronica e della microelettromeccanica con la particolare finalizzazione al biologico, il design e la realizzazione dei dispositivi in tutte le componenti: architettura generale, processo, fluidica, rivelazione e analisi del segnale
Lo sviluppo di sistemi ECL si baserà sulla pregressa esperienza dei ricercatori dell'Università di Bologna e perseguirà l'obiettivo di sviluppare le tecnologie per creare un sistema rivelatore opto-elettronico specificatamente adatto per la rivelazione di DNA e proteine marcate con traccianti elettrochemioluminescenti ed il loro uso in sistemi di tipo microarray. Il progetto proposto prevede sia la sintesi delle specie chimiche da utilizzare che la realizzazione del sistema elettrochemiluminescente.
L'obiettivo di medio-lungo termine è poi quello di mantenere il laboratorio attivo e competitivo su scala internazionale nel settore dello sviluppo di sistemi per l'impiego clinico, diagnostico, biologico e agroindustriale e di ricerca delle tecniche più innovative di real time PCR, di sequenziamento con sistemi miniaturizzati paralleli di DNA e RNA, di analisi dell'espressione genica, di "SNP genotyping" su larga scala e di altre metodiche di analisi per la genomica e la proteomica. Tali sistemi saranno basati su innovative ed originali tecniche di rivelazione opto-elettronica e microelettromeccanica quali ad esempio quelle basate su Elettrochemiluminescenza e su cantarray che costituiscono parte delle ricerche iniziali proposte. Questo obiettivo verrà perseguito consolidando una rete di collaborazioni a livello europeo e definendo programmi di ricerca di medio-lungo periodo e ricercando per essi appositi finanziamenti sia pubblici (comunitari e/o nazionali) che privati da parte di aziende interessate all'industrializzazione dei risultati.
Naturale emanazione risulterà la creazione di un network in cui opereranno ricercatori provenienti da settori diversi che conferiranno al Laboratorio competenze specialistiche in settori molto differenziati della scienza, quali la fisica dello stato solido e la genetica applicata, con la conseguente creazione di un cross-linking tra tutte queste componenti e la creazione di una scuola atta alla formazione multidisciplinare di giovani ricercatori il cui ingresso sul mercato del lavoro troverà naturale collocazione in piccola parte nelle strutture di ricerca pubbliche e private, e maggiormente entro gli spin-off e le industrie del settore le quali hanno obiettive difficoltà a formare esperti in campi così avanzati e al tempo differenziati. <<<

Durata

48 mesi