Il naso elettronico in campo fitopatologico

Il naso elettronico in campo fitopatologico
S. Blasioli, E. Biondi, A. Cellini
“Che puzza!” è l’esclamazione più ricorrente quando un odore particolarmente sgradevole riempie
le nostre narici. Il meccanismo mediante il quale il nostro naso percepisce un odore è complesso e
coinvolge una serie di reazioni chimiche che trasformano l’interazione della molecola odorosa con i
recettori olfattivi, in un impulso elettrico che viene inviato al cervello, il quale elabora il segnale e
restituisce la sensazione di odore.
La nostra capacità olfattiva è nulla rispetto a quella di altre specie come gatti o cani. Tutti, infatti,
siamo a conoscenza dell’impiego di cani per l’individuazione di droghe, esplosivi o per il recupero
di esseri umani coinvolti in eventi drammatici come i terremoti o valanghe.
Partendo da queste osservazioni, nel 1982 Persaud e Dodd pubblicarono su Nature1 un lavoro
intitolato “Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a
model nose” nel quale veniva presentato alla comunità scientifica il primo prototipo di naso
elettronico, un sistema artificiale in grado di mimare l’olfatto umano. Da allora, questo strumento si
è evoluto (nasi elettronici portatili, accoppiati alla spettrometria di massa) ed ha trovato sempre più
applicazione soprattutto in campo alimentare (ad esempio, per la valutazione dello shelf life, il ciclo
di vita di un alimento fresco), ma anche in campo civile per la localizzazione di esplosivi
(soprattutto negli aeroporti) e di gas tossici (sensori di CO2, NH3 etc).
Dal punto di vista meccanico, un naso elettronico si compone di tre parti: un sistema di
campionamento (in genere una pompa), un sistema di sensori (ossidi metallici o polimeri, che
interagiscono con le molecole odorose, generando il segnale analitico) e un elaboratore di dati
(software).
Per come è concepito, il naso elettronico può essere utilizzato ogni volta vi sia un odore da
percepire o da quantificare. Questa sua versatilità, unita alla scoperta che alcune malattie dell'uomo
possono stimolare la produzione di sostanze aventi un odore caratteristico, tale cioè da rendere
queste molecole marker della malattia, hanno spinto i ricercatori verso l’impiego del naso
elettronico anche in campo medico: è il caso di alcune infezioni delle vie urinarie, che portano alla
produzione di acido isovalerico, o di alcune forme tumorali associate alla formazione di alcani o
alcoli monometilati.
1
K. Persaud and G. Dodd, Analysis of discrimination mechanisms in the mammalian olfactory system using a model
nose, Nature, 299, 1982, 352-355.
Come ben noto, anche le piante producono odori che possono svolgere particolari funzioni: i volatili
emessi, infatti, possono attrarre gli insetti impollinatori e repellere gli erbivori o essere impiegati
dalle piante nella difesa contro gli attacchi dei patogeni o parassiti.
Come per l’uomo, anche per le piante, la presenza di patogeni può essere accompagnata da
un’alterazione dei meccanismi biologici che può esplicarsi con l’emissione di molecole volatili
caratteristiche
dell’interazione
ospite-patogeno.
L’infezione
causata
da
Pectobacterium
carotovorum subsp. carotovorum, agente eziologico del marciume molle della patata, incrementa ad
esempio, la produzione di acetone, etanolo e 2-butanolo.
Appare logico chiedersi quindi, se sia possibile identificare marcatori delle malattie anche in campo
fitopatologico. Tali molecole o insieme di molecole potrebbero infatti giocare un ruolo
fondamentale nella veloce individuazione di impronte specifiche di malattie a carico di materiale
vegetale, soprattutto importato: il riconoscimento delle malattie, infatti, potrebbe avvenire
direttamente nei principali punti di entrata dei materiali vegetali quali aeroporti, porti etc. La ricerca
di molecole specifiche richiede, tuttavia, un'analisi impegnativa per tempistiche e strumentazione
(vedi, ad esempio, l’uso della gas cromatografia accoppiata alla spettrometria di massa). Uno
strumento di semplice impiego, in grado di riconoscere profili odorosi anziché singoli composti,
quale può essere il naso elettronico può, invece, rappresentare una valida alternativa.
Il
Dipartimento
di
Scienze
Agrarie
ha
contribuito
a
livello
internazionale, in questi anni, a cercare una risposta (parziale perché
ancora in fase di studio) alla domanda, cimentandosi nel riconoscimento
di patologie mediante naso elettronico quali: colpo di fuoco batterico
delle pomacee, tumore batterico della vite, marciume bruno e marciume
anulare della patata, cancro batterico del kiwi2. Il gruppo di lavoro
richiama le competenze dell’area di Chimica Agraria, Colture Arboree e
Figura 1. Cancro batterico della vite
2 Cellini A., Biondi E., Buriani G., Farneti B., Rodriguez-Estrada M. T., Braschi I., Savioli S., Blasioli S., Rocchi L.,
Biasioli F., Costa G., Spinelli F. (2016). “Characterization of volatile organic compounds emitted by kiwifruit plants
infected with Pseudomonas syringae pv. actinidiae and their effects on host defences”. Trees, 30(3), 795-806
Cellini A., Biondi E., Blasioli S., Rocchi L., Farneti B., Braschi I., Savioli S., Rodriguez-Estrada M.T., Biasioli F.,
Spinelli F. (2016). “Early detection of bacterial diseases in apple plants by analysis of volatile organic compounds
profiles and use of electronic nose”. Annals of Applied Biology 168(3), 409-420
Biondi E., Blasioli S., Galeone A., Spinelli F., Cellini A., Lucchese. C., Braschi I. (2014). “Detection of Potato Brown
Rot and Ring Rot by Electronic Nose: from Laboratory to Real Scale”. Talanta 129, 422–430
S. Blasioli, E. Biondi, D. Samudrala, F. Spinelli, A. Cellini, A. Bertaccini, S. M. Cristescu, I. Braschi (2014).
“Identification of Volatile Markers in Potato Brown Rot and Ring Rot by Combined GC-MS and PTR-MS Techniques:
Study on in Vitro and in Vivo Samples”. J. Agric. Food Chem. 62, 337-347
S. Blasioli, E. Biondi, I. Braschi, U. Mazzucchi, C. Bazzi, C.E. Gessa (2010). “Electronic nose as an innovative tool for
the diagnosis of grapevine crown gall”. Anal. Chim. Acta. 672, 20-24
Patologia Vegetale ed è stato coinvolto fino al 2013 nel progetto europeo “Q-Detect - Developing
quarantine pest detection methods for use by National Plant Protection Organizations (NPPO) and
Inspection Services”.
Per discriminare i campioni vegetali sani da quelli malati, è stato utilizzato il naso elettronico PEN3
(Airsense Analytics, Germany) in dotazione
all’area di Chimica Agraria. Il PEN3 è dotato di 10
sensori ossidi metallici (MOS) sensibili ad un
ampio spettro di molecole organiche (aromatici,
alcol, clorurati etc.). Lo strumento è accoppiato ad
un preconcentratore per analisi di volatili presenti
in tracce.
Attualmente, sempre grazie alla versatilità dello
strumento, il naso elettronico è impiegato per la
Figura 2. Naso elettronico PEN3 e preconcentratore
valutazione del potenziale fumigante di nematocidi
naturali incorporati in matrici porose.
Come descritto in precedenza, la versatilità dello strumento non pone praticamente vincoli al suo
utilizzo e trova sicuramente “terreno fertile” in campo agricolo e fitopatologico dove gli odori
rivestono un ruolo fondamentale nella fisiologia delle specie vegetali.