Light transducers for triggering and probing the cellular membrane

Optical methods are gaining traction as viable alternatives to more traditional cell stimulation methods, e.g., the use of electrical pulses, due to a variety of benefits, such as excellent spatial and temporal resolution, remarkable selectivity, and non-invasiveness. The use of light associated to appropriate phototransducers for cell and tissue stimulation has indeed a large potential in many research fields, including biophysics and neuroscience. This thesis aims at understanding the origin of bioelectricity upon light stimulation mediated by polymer films or molecular transducers. In doing this, applications of the technology are proposed and validated. Optical biostimulation and photoactive organic materials are used to both trigger and probe the opto-mechanical phenomena occurring in the cellular plasma membrane during photoexcitation. The first goal, triggering, is pursued using a diffuse interface constituted by an azobenzene amphiphilic photoswitch. After a scrupulous choice of the photoswitch optimal characteristics and a detailed investigation on the spectroscopic properties and interaction with the cell membrane, the effect of the most promising molecule is tested on both eukaryotic and prokaryotic cells. Moreover, its possible use as nanoviscosity probe is assessed. The second part of the thesis, associated to probing, comprehends instead a study on the mechanisms laying behind photothermal perturbation of the cellular membrane. This is done through an all-optical spectroscopic approach, based on the use of fluorescent molecular probes, to monitor the membrane polarity and order directly in living cells under thermal excitation transduced by a photoexcited polymer film.

Le metodologie ottiche stanno guadagnando terreno come valide alternative ai metodi di stimolazione cellulare più tradizionali, come l'uso di impulsi elettrici, grazie alla presenza di diversi vantaggi, come l’eccellente risoluzione spaziale e temporale, l’elevata selettività e la loro bassa invasività. L'uso della luce associata ad appropriati fototrasduttori per la stimolazione di cellule e tessuti ha un grande potenziale in molti campi di ricerca, tra cui la biofisica e la neuroscienza. Questa tesi di dottorato mira a comprendere l'origine della bioelettricità causata dalla stimolazione luminosa mediata da film polimerici o trasduttori molecolari. Nel fare ciò, le applicazioni di questa tecnologia vengono proposte e convalidate. La biostimolazione ottica e i materiali organici fotoattivi vengono utilizzati sia per innescare che per sondare i fenomeni opto-meccanici che si verificano nella membrana plasmatica cellulare durante la fotoeccitazione. Il primo obiettivo, l'innesco (triggering), viene perseguito utilizzando un'interfaccia diffusa costituita da un fotointerruttore anfifilico azobenzenico. Dopo una scrupolosa scelta delle caratteristiche ottimali del fotointerruttore e un'indagine dettagliata sulle proprietà spettroscopiche e sull'interazione con la membrana cellulare, l'effetto della molecola più promettente viene testato sia sulle cellule eucariotiche che su quelle procariotiche. Viene inoltre valutato il suo possibile utilizzo come sonda di nanoviscosità. La seconda parte della tesi, associata al sondaggio (probing), comprende invece uno studio sui meccanismi alla base della perturbazione fototermica della membrana cellulare. Ciò viene fatto attraverso un approccio spettroscopico completamente ottico, basato sull'uso di sonde molecolari fluorescenti, per monitorare la polarità e l’ordine della membrana direttamente nelle cellule viventi sotto eccitazione termica trasdotte da un film polimerico fotoeccitato.