BIO-FOTONI IN BIOLOGIA E MEDICINA

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Un’emissione ultra-debole di fotoni nel campo del visibile caratteristica di organismi viventi. Questa emissione di tipo endogeno entro e tra le cellule di un organismo vivente può essere ora studiata in dettaglio con l’uso dei moderni foto-moltiplicatori ad alta sensibilità e delle camere CCD.

Obiettivi

Circa 60 anni fa è apparso sul Nuovo Cimento ⁽¹⁾ un articolo sperimentale, firmato da L. Colli e U. Facchini, dove si metteva in evidenza come dei tessuti vegetali vivi, in particolare piante in fase germinativa, emettessero luce nello spettro del visibile. Il loro apparato sperimentale era basato su un foto-moltiplicatore in grado di lavorare in regime di conteggio singolo e su un opportuno contenitore dove porre il campione durante la misura in modo di minimizzare l’inquinamento luminoso ambientale. Lo studio mise in evidenza come la germinazione di semi di lenticchie aumentasse il numero di conteggi di un fattore tra 6 e 10 rispetto al fondo. L’emissione avveniva tra 4500 e 6500 Å, ossia da 2.7 eV a 1.9 eV. Per evitare ogni tipo di fenomeno di luminescenza indotta dall’esposizione alla luce, i semi venivano fatti germinare al buio e poi trasferiti nell’apparato di misura. Osservarono inoltre che l’emissione era influenzata dalla temperatura e che parti diverse della pianta emettevano in maniera differente. In un lavoro successivo ⁽²⁾ allargarono il campo d’indagine misurando l’emissione in funzione del tempo, la distribuzione spettrale tramite l’uso di opportuni filtri, la variazione di emissione per effetto delle mutate condizioni chimico-fisiche In fig. 1 è riportata la loro misura di distribuzione spettrale mediata su vari tipi di piante.

Fig.1 Distribuzione spettrale dell’emissione elettromagnetica. In ascisse la lunghezza d’onda in Angstrom.

Questo tipo di ricerche suscitarono grande interesse in diversi gruppi in Russia, ma lo studio rimase confinato al di la del muro di Berlino. Negli anni ottanta F.A. Popp ⁽³⁾ riprese in maniera sistematica tale tipo di studio pubblicando decine di articoli su riviste scientifiche di grande impatto. Le sue ricerche hanno avuto una risonanza piuttosto ampia nella comunità scientifica internazionale ed oggi ci sono diversi gruppi di ricerca in vari istituti nel mondo che portano avanti questo tipo di ricerche su “materiale” vivente di vario tipo.

In Italia negli anni novanta parte la sperimentazione del gruppo di F. Musumeci e della A. Scordino all’Università di Catania con lavori incentrati sulla luminescenza foto-indotta. Ossia si eccita il sistema vivente con un impulso luminoso di durata dell’ordine di 5ns con intensità molto basse di circa 100 J/impulso, si aspetta un tempo di circa 10 s durante il quale il sistema è in quiescenza e poi si ricomincia a misurare la radiazione emessa ⁽⁴⁾. Questa è almeno un fattore 10 superiore a quella spontanea osservata negli esperimenti di Popp e perdura per molto tempo dopo la fine dell’impulso eccitante. Tale emissione indotta è di almeno un fattore 1000 più basso della fluorescenza ed è presente sia nelle piante sia in culture cellulari vive di varia natura. Il gruppo di Catania studiando le costanti di decadimento mette in evidenza come queste siano collegate allo stato fisiologico del sistema e quindi propone tutta una serie di applicazioni in campo medico, tipicamente individuazione di cellule tumorali e valutazione di trattamenti terapeutici, ed in campo agro-alimentare, come la valutazione della prestazione germinativa di semi, controllo della qualità delle acque e dei prodotti alimentari di origine vegetale ^(5,6).

Il nostro gruppo ha iniziato la sperimentazione sull’emissione spontanea da pochissimi mesi costruendo un primo prototipo di camera sperimentale. Tale prototipo è costituito da un cilindro di materiale plastico nero (PVC) di circa 10 cm di diametro e alto altrettanto, con alla sommità un coperchio rimovibile in cui è fissato un fototubo di ultima generazione Hamamatsu (H12386-210) che nel campo del visibile (ha una sensibilità uniforme tra i 250 e i 700 nm) ha un rumore a temperatura ambiente di circa 1.5 conteggi/sec.

Fig. 2 Fotografia del nostro apparato sperimentale all’apertura dopo la germinazione di qualche decina di semi di lenticchie avvenuta dopo circa 6 giorni dall’inizio della fase di misura.

Dopo una prima caratterizzazione dell’apparato sperimentale dove abbiamo misurato una corrente di buio dell’ordine di 5 conteggi/s, in pratica il rumore elettronico del fototubo che lavora a temperatura ambiente, abbiamo misurato il segnale proveniente dalla germinazione di circa 80 semi di lenticchia messe in un letto di bambagia intrisa di acqua e tenute al buio per circa una settimana all’interno dell’apparato di misura. In queste condizioni, dopo il decadimento della luminescenza spontanea avvenuto in circa 12 ore, abbiamo un periodo di tempo in cui praticamente si hanno solamente i conteggi di buio, seguito poi da un periodo in cui si nota un incremento dei conteggi, all’inizio basso ma chiaramente visibile. Nell’arco di tempo di qualche decina di ore tale incremento diventa di un fattore circa 5-6 maggiore dei conteggi di buio. In Fig.3 riportiamo la prima misura sperimentale effettuata con il nostro apparato.

Fig. 3 Numero di conteggi in funzione del tempo. Abbiamo una finestra di integrazione di 1 minuto.

Da notare la prima piccola salita, probabilmente in corrispondenza della prima rottura della cuticola dei semi germinanti, una zona piatta ma maggiore del buio che dura diverse ore e poi una graduale salita via via sempre più veloce che porta ad un valore circa 18 cps/s, ossia quasi 6 volte maggiore rispetto al valore dei conteggi di buio. Il nostro risultato è perfettamente in linea con i risultati di Colli e Facchini e di quelli successivi di Popp e degli altri gruppi sperimentali.

La Sezione ha lo scopo di sviluppare tali tipi di misure ed in particolare:

1. Continuare lo studio con diversi campioni di semi
2. Modificare il porta campioni per avere la possibilità di misurare batteri e culture cellulari.
3. Usare opportuni filtri in modo da analizzare le componenti spettrali dell’emissione e la loro evoluzione temporale durante il processo di germinazione (nel caso di semi), durante lo sviluppo (nel caso di batteri) e durante le condizioni di vita (nel caso delle culture cellulari)
4. Possibilità di misurare in diverse condizioni chimico-fisiche. In particolare si vuole studiare la variazione di emissione in funzione della temperatura, in funzione della presenza di gas di varia natura ed in presenza di vari agenti chimici opportunamente scelti.
5. Aumentare per quanto possibile l’angolo solido di raccolta per massimizzare la sensibilità strumentale.

Questo al fine di avere dei dati sperimentali atti a far comprendere con più chiarezza l’origine del fenomeno e le sue implicazioni biologiche, ed evidenziare le potenzialità di questa tecnica di indagine nei campi agro-alimentare e bio-medico.

Bibliografia:

1. L. Colli and U. Facchini, Nuovo Cimento 12, 150 (1954)
2. L. Colli, U. Facchini et al, Experientia 12, 479 (1955)
3. F.A. Popp et al. Modern Physics Letters B 21&22, 1269 (1994)
4. S. Tudisco et al. Rev. Sci. Instrument 74, 4485 (2003)
5. F. Musumeci et al. Appl. Phys. Lett. 86, 153902 (2005)
6. A. Scordino et al. J. Phys D 41, 155507 (2008)

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Settori di interesse

• Agro-alimentare
• Indicatori agroambientali
• Medicina
• Biologia
• Fisica

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Composizione della Unità Autonoma

Coordinatore:

Componenti:

• Dr. Maurizio Benfatto – LNF – INFN
• Dr. C. Curceanu – LNF – INFN
• Prof. I. Davoli – Dipartimento di Fisica – Università di “Tor Vergata”
• F. De Matteis – Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Roma “Tor Vergata”
• R. Francini – Dipartimento di Ingegneria Industriale – Università di Roma “Tor Vergata”
• M. Lucci – Dipartimento di Fisica – Università di “Tor Vergata”
• E. Pace– LNF – INFN

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Attività

• Progetti di ricerca: l’Unità ha iniziato la sua vita da pochi mesi e quindi non ha ancora progetti strutturati e finanziati. Abbiamo nel frattempo iniziato una collaborazione con il gruppo di F. Musumeci e A. Scordino del Dipartimento di Fisica ed Astronomia dell’Università di Catania.