Tim istraživača iz Empe, ETH Zurich i Sveučilišne bolnice u Zurichu uspio je razviti novi senzor za otkrivanje novog koronavirusa. U budućnosti bi se mogao koristiti za mjerenje koncentracije virusa u okolišu - na primjer, na mjestima gdje ima mnogo ljudi ili u bolničkim ventilacijskim sustavima.
Jing Wang i njegov tim u Empi i ETH Zurich obično rade na mjerenju, analizi i smanjenju zagađivača u zraku kao što su aerosoli i umjetno proizvedene nanočestice. Međutim, izazov s kojim se trenutno suočava cijeli svijet također mijenja ciljeve i strategije u istraživačkim laboratorijima. Novi fokus: senzor koji može brzo i pouzdano otkriti SARS-CoV-2 - novi koronavirus.
Ali ideja nije baš toliko udaljena od prethodnog istraživačkog rada grupe: čak i prije nego što se COVID-19 počeo širiti, prvo u Kini, a potom i svijetom, Wang i njegovi kolege istraživali su senzore koji su mogli detektirati bakterija i virusa u zraku. Već u siječnju rodila se ideja o korištenju ove osnove za daljnji razvoj senzora na način da može pouzdano identificirati određeni virus. Senzor neće nužno zamijeniti utvrđene laboratorijske testove, ali bi se mogao koristiti kao alternativna metoda za kliničku dijagnozu, i još istaknutije za mjerenje koncentracije virusa u zraku u stvarnom vremenu: na primjer, na prometnim mjestima kao što su željezničke stanice ili bolnice.
Brzi i pouzdani testovi na novi koronavirus hitno su potrebni kako bi se pandemija što prije stavila pod kontrolu. Većina laboratorija koristi molekularnu metodu koja se zove reverzna transkripcijska polimerazna lančana reakcija ili skraćeno RT-PCR za otkrivanje virusa u respiratornim infekcijama. Ovo je dobro uspostavljeno i može otkriti čak i malu količinu virusa - ali u isto vrijeme može biti dugotrajno i sklono greškama.
Optički senzor za uzorke RNA
Jing Wang i njegov tim razvili su alternativnu metodu ispitivanja u obliku optičkog biosenzora. Senzor kombinira dva različita učinka za sigurno i pouzdano otkrivanje virusa: optički i toplinski.
Senzor se temelji na sićušnim strukturama zlata, takozvanim zlatnim nanootocima, na staklenoj podlozi. Umjetno proizvedeni DNA receptori koji odgovaraju specifičnim sekvencama RNA SARS-CoV-2 cijepljeni su na nanootoke. Koronavirus je takozvani RNA virus: njegov se genom ne sastoji od dvostrukog lanca DNK kao u živim organizmima, već od jednog lanca RNA. Receptori na senzoru su stoga komplementarni nizovi jedinstvenih RNA sekvenci virusa, koji mogu pouzdano identificirati virus.
Tehnologija koju istraživači koriste za detekciju naziva se LSPR, skraćeno za lokaliziranu površinsku plazmonsku rezonancu. Ovo je optički fenomen koji se javlja u metalnim nanostrukturama: kada su pobuđeni, moduliraju upadnu svjetlost u određenom rasponu valnih duljina i stvaraju plazmonično blisko polje oko nanostrukture. Kada se molekule vežu na površinu, mijenja se lokalni indeks loma unutar pobuđenog plazmonskog bliskog polja. Optički senzor smješten na stražnjoj strani senzora može se koristiti za mjerenje ove promjene i tako utvrditi sadrži li uzorak dotične RNA niti.
toplina povećava pouzdanost
Međutim, važno je da se uhvate samo oni RNA lanci koji točno odgovaraju DNA receptoru na senzoru. Ovdje dolazi do izražaja drugi učinak na senzor: plazmonski fototermalni (PPT) efekt. Ako se ista nanostruktura na senzoru pobuđuje laserom određene valne duljine, proizvodi lokaliziranu toplinu.
A kako to pomaže pouzdanosti? Kao što je već spomenuto, genom virusa sastoji se od samo jednog lanca RNA. Ako ovaj lanac pronađe svoj komplementarni pandan, dva se spajaju i tvore dvostruki lanac – proces koji se naziva hibridizacija. Suprotnost - kada se dvostruki lanac podijeli na jednostruke niti - naziva se taljenjem ili denaturacijom. To se događa na određenoj temperaturi, temperaturi taljenja. Međutim, ako je temperatura okoline puno niža od temperature taljenja, mogu se spojiti i pramenovi koji međusobno nisu komplementarni. To može dovesti do lažnih rezultata testa. Ako je temperatura okoline tek nešto niža od temperature taljenja, mogu se spojiti samo komplementarne niti. A to je upravo rezultat povećane temperature okoline, koja je uzrokovana PPT efektom.
Kako bi pokazali koliko pouzdano novi senzor otkriva trenutni virus COVID-19, istraživači su ga testirali s vrlo blisko povezanim virusom: SARS-CoV. Ovo je virus koji je izbio 2003. godine i pokrenuo pandemiju SARS-a. Dva virusa - SARS-CoV i SARS-CoV2 - razlikuju se samo malo u svojoj RNA. I validacija je bila uspješna: "Testovi su pokazali da senzor može jasno razlikovati vrlo slične RNA sekvence dvaju virusa", objašnjava Jing Wang. A rezultati su spremni za nekoliko minuta.
U ovom trenutku, međutim, senzor još nije spreman za mjerenje koncentracije korona virusa u zraku, na primjer na glavnom željezničkom kolodvoru u Zürichu. Za to su još potrebni brojni razvojni koraci – na primjer, sustav koji uvlači zrak, koncentrira aerosole u njemu i oslobađa RNA iz virusa. "Ovo još uvijek treba raditi na razvoju", kaže Wang. Ali kada senzor bude spreman, princip bi se mogao primijeniti na druge viruse i pomoći u otkrivanju i zaustavljanju epidemija u ranoj fazi.
