تطوير مستشعر حيوي يستطيع كشف كورونا المستجد في الهواء
في هذا المقال
كورونا المستجد أُعلن تطوير مستشعر حيوي لكشفه. وقد يُستخدم مستقبلًا لقياس تركيزه في الأماكن المغلقة المكتظة أو المستشفيات.
يبحث علماء Empa وETH زيورخ وجامعتها عادة قياس ملوثات الهواء وتحليلها وتقليلها، كالهباء والجسيمات النانوية الاصطناعية. لكن ما يواجهه العالم الآن من جائحة COVID-19يغير أهداف واستراتيجيات مختبرات كانت بمجالات أخرى. والتركيز الجديد: مستشعر سريع وموثوق لكشف SARS-CoV-2!
- الهباء الجويجسيمات صلبة أو سائلة معلقة بالهواء، بقطر بين 0.003 و100 ميكرومتر. وينتقل كورونا أساسًا بقطيرات السعال والمخالطة القريبة، لكن يُعتقد بإمكان انتقاله بفيروسات الهباء أيضًا.
- الجسيم النانويبنية بين جزء من مليار وجزء من عشرة ملايين من المتر، ويُسمى أيضًا حبيبة نانوية.
لم تكن فكرة المستشعر الحيوي لكشف الفيروس بعيدة كثيرًا عن الأبحاث السابقة لهذا الفريق: فحتى قبل بدء انتشار COVID-19 أولًا في الصين ثم عالميًا، كان Wang وزملاؤه يبحثون مستشعرات تكشف البكتيريا والفيروسات في الهواء. وفي مطلع يناير، نشأت فكرة تطوير مستشعر حيوي آخر يتعرف إلى فيروس محدد بموثوقية. وبالطبع لن يحل المستشعر محل الاختبارات المخبرية الموجودة، لكنه قد يُستخدم طريقة بديلة للتشخيص السريري، وفي الوقت نفسه لقياس أوضح لتركيز الفيروسات في الهواء، مثل الأماكن المزدحمة والنشطة كالمستشفيات ومحطات القطارات.
نحتاج عاجلًا لاختبارات سريعة وموثوقة لضبط الوباء بأقصر وقت. وتستخدم معظم المختبرات لكشف الفيروس التنفسي طريقة جزيئية تُسمى تفاعل البوليميراز المتسلسل بالنسخ العكسي، RT-PCR اختصارًا تُستخدم. وهذه الطريقة راسخة ومعروفة جيدًا، ويمكنها كشف حتى الكميات الضئيلة جدًا من الفيروس؛ لكنها تستغرق وقتًا، وقد تكون عرضة للأخطاء.
مستشعر بصري لعينات RNA
طور جينغ وانغ وفريقه اختبارًا بديلًا كمستشعر حيوي بصري، يجمع الأثر البصري الضوئي والحراري لكشف آمن وموثوق.
يقوم على جسيمات ذهبية صغيرة فوق زجاج تُسمى جزر الذهب النانوية AuNIs. وتُزرع عليها مستقبلات DNA اصطناعية تطابق تسلسل RNA لـ SARS-CoV2. وكورونا فيروس RNA : جينومه ليس مزدوج السلسلة كما في الكائنات الحية من DNA، بل يتكون من RNA أحادي السلسلة. ولذلك فإن المستقبلات الموجودة على المستشعر هي تسلسلات مكملة، قادرة على التعرف بموثوقية إلى سلاسل RNA الخاصة بالفيروس.
تقنية الكشف هي LSPR، رنين البلازمون السطحي الموضعي، ظاهرة بصرية للجسيمات المعدنية: عند تنبيهها تعدل الضوء بوضع طول موجي محدد وتنتج مجالًا بلازمونيًا قريبًا. وعند ارتباط الجزيئات بالسطح، يتغير معامل الانكسار المحلي ضمن المجال المثار؛ ويقيس مستشعر بصري خلف الأداة التغير، فيحدد وجود سلسلة RNA المعنية بالعينة.
في الشكل أعلاه،تظهر استجابات LSPR المحلية حول مصدر حرارة PPT في AuNI. ومن المهم ألا توجد على المستشعر إلا سلاسل RNA المطابقة تمامًا لمستقبل DNA؛ وهنا يدخل الأثر الثاني: الأثر البلازموني الضوئي الحراري (PPT). فإذا نُبهت الجسيمات بليزر ذي طول موجي محدد، تُنتج حرارة موضعية.
الحرارة تعزز الموثوقية
فكيف يساعد ذلك على الموثوقية؟ كما ذُكر، يحتوي جينوم الفيروس على سلسلة RNA واحدة. وإذا وجدت شريكها المكمل، تجتمع السلسلتان لتشكيل بنية مزدوجة في عملية تسمى التهجين. أما انفصال هذا الزوج، أي السلسلة المزدوجة، إلى سلسلتين مفردتين فيسمى الانصهار أو التمسخ. ويحدث عند درجة انصهار محددة. لكن إذا كانت حرارة الوسط أقل من حرارة الانصهار، يمكن أن ترتبط أيضًا سلاسل غير مكملة. وإذا كانت أقل بقليل فقط، فلا تشترك إلا السلاسل المكملة. وهذا ما ينتج عن ارتفاع حرارة الوسط الذي يسببه تأثير PPT.
لإثبات مدى موثوقية كشف المستشعر الجديد لفيروس كورونا الحالي، اختبره الباحثون بفيروس شديد القرابة منه: SARS-CoV. وهو الفيروس الذي ظهر عام 2003 وأطلق تفشي SARS العالمي. ولا يختلف الفيروسان SARS-CoV وSARS-CoV2 إلا بفروق صغيرة جدًا في RNA الخاص بهما. وقد نجح التحقق؛ ويقول Jing Wang: «أظهرت الاختبارات قدرة المستشعر على التمييز الواضح بين تسلسلات RNA شديدة التشابه للفيروسين». وتجهز النتائج خلال دقائق.
في الشكل أعلاه،يظهر قياس التركيز الفيروسي المنخفض جدًا بـ LSPR ثنائي الوظيفة. ولتقييم الأداء، دُرست قراءة RdRp-COVID البلازمونية الثنائية من 0.01 pM إلى 50 uM. وتأكد النظام أيضًا بالتهجين الانتقائي، إضافة إلى RdRp-COVID، لتسلسلات مختلفة من SARS-CoV-2 وSARS-CoV: من SARSCoV- 2 تسلسل ORF1ab-COVID وتسلسل E، ومن SARS-CoV تسلسل RdRp-SARS.
النتيجة
كشف الفيروس البيئي بالمستشعرات يحتاج معرفة وخبرة متقدمة بالهندسة الحيوية. وكما تبين الدراسة، تُمزج البيولوجيا والمستشعرات والبصريات في أبعاد جزء من مليار المتر لإنتاج أجهزة متطورة من نوع التقنية الحيوية . وقد تكون منتجات زيورخ أبطال الجوائح المقبلة، لكن المستشعر غير جاهز حاليًا لقياس كورونا الهوائي، بمحطة زيورخ المركزية مثلًا. وتلزم خطوات تطوير، كنظام يسحب الهواء ويركز هباءه ويحرر RNA من الفيروس. ويقول وانغ: «ما زال تطوير ذلك ضروريًا». وعند الجاهزية يمكن تطبيق المبدأ على فيروسات أخرى للمساعدة في كشف الوباء مبكرًا وإيقافه.
هل كان هذا المقال مفيدًا لك؟
تساعدنا ملاحظاتك على تحسين المحتوى.
تعليقات القراء
شارك تعليقك
لا يُنشر اسمك وتعليقك إلا بعد موافقة المسؤول. لا يُعرض بريدك الإلكتروني للزوار مطلقًا.
كن أول من يعلّق.