Ein Biosensor wurde entwickelt, der das neuartige Coronavirus IN DER LUFT NACHWEISEN kann

Zum Nachweis des neuartigen Coronavirus wurde, wie bekannt gegeben wurde, ein Biosensor (biologischer Sensor) entwickelt. Er könnte künftig zur Messung der Viruskonzentration in geschlossenen Räumen mit vielen Menschen oder in Krankenhäusern eingesetzt werden.

Forscher der Empa, der ETH Zürich und der Universität Zürich beschäftigen sich gewöhnlich mit der Messung, Analyse und Verringerung von Luftschadstoffen wie Aerosolen und künstlich erzeugten Nanopartikeln. Doch die COVID-19-Pandemie, mit der die ganze Welt derzeit konfrontiert ist, verändert auch die Ziele und Strategien von Laboren, die zuvor auf anderen Gebieten gearbeitet haben. Der neue Schwerpunkt: ein Sensor, der das neuartige Coronavirus SARS-CoV-2 schnell und zuverlässig nachweisen kann!

• Aerosole sind feste oder flüssige Partikel, die in der Luft schweben können. Ihr Durchmesser kann zwischen 0,003 und 100 Mikrometern liegen. Das Coronavirus wird hauptsächlich durch Atemtröpfchen übertragen, die beim Husten und bei engem Kontakt von einer Person zur anderen gelangen. Es wird jedoch angenommen, dass auch Viren in Aerosolen eine Übertragung verursachen können.
• Nanopartikel sind Strukturen mit einer Größe zwischen einem Milliardstel und einem Zehnmillionstel Meter. Im Türkischen wird dafür auch der Ausdruck Nanotanecik verwendet.

Die Idee eines Biosensors zum Virusnachweis lag nicht weit von den bisherigen Forschungsarbeiten dieser Gruppe entfernt: Schon bevor COVID-19 sich zunächst in China und dann weltweit ausbreitete, untersuchten Wang und seine Kollegen Sensoren, die Bakterien und Viren in der Luft erkennen könnten. Anfang Januar entstand die Idee, einen weiteren Biosensor zu entwickeln, der ein bestimmtes Virus zuverlässig identifizieren kann. Natürlich soll der Sensor bestehende Labortests nicht ersetzen. Er könnte jedoch als alternative Methode für klinische Diagnosen und gleichzeitig zur anschaulicheren Messung der Viruskonzentration in der Luft eingesetzt werden, etwa an stark frequentierten Orten wie Krankenhäusern und Bahnhöfen.

Um die weltweite Epidemie möglichst rasch unter Kontrolle zu bringen, werden dringend schnelle und zuverlässige Tests benötigt. Die meisten Labore verwenden zum Virusnachweis bei Atemwegsinfektionen eine molekulare Methode namens reverse Transkriptions-Polymerase-Kettenreaktion, kurz RT-PCR. Diese Methode ist gut etabliert und kann selbst sehr geringe Virusmengen nachweisen – sie ist jedoch zeitaufwendig und kann fehleranfällig sein.

Ein optischer Sensor für RNA-Proben

Jing Wang und sein Team entwickelten eine alternative Testmethode in Form eines optischen Biosensors. Um das Virus zuverlässig und sicher nachzuweisen, verbindet der Sensor zwei unterschiedliche Effekte: einen optischen (Licht) und einen thermischen (Wärme).

Der Sensor basiert auf kleinen Goldnanopartikeln, sogenannten Gold-Nanoinseln (AuNIs), auf einer Glasunterlage. Künstlich hergestellte DNA-Rezeptoren, die zu den RNA-Sequenzen von SARS-CoV2 passen, werden auf die Nanoinseln aufgebracht. Das Coronavirus ist ein RNA-Virus: Sein Genom besteht nicht aus der in lebenden Organismen vorkommenden doppelsträngigen DNA, sondern aus einzelsträngiger RNA. Deshalb sind die Rezeptoren auf dem Sensor komplementäre Sequenzen, die die spezifischen RNA-Stränge des Virus zuverlässig erkennen können.

Die von den Forschern zum Nachweis verwendete Technologie heißt LSPR (lokalisierte Oberflächenplasmonenresonanz). Dabei handelt es sich um ein optisches Phänomen metallischer Nanopartikel: Werden sie angeregt, modulieren sie das einfallende Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich und erzeugen ein plasmonisches Nahfeld um das Nanopartikel. Binden Moleküle an die Oberfläche, verändert sich der lokale Brechungsindex im angeregten plasmonischen Nahfeld. Ein optischer Sensor hinter dem Sensor kann diese Veränderung messen und so feststellen, ob die Probe den betreffenden RNA-Strang enthält.

In der obigen Abbildung sind die lokalen LSPR-Antworten in AuNI dargestellt, die um die PPT-Wärmequelle herum abgetastet wurden. Wichtig ist jedoch, dass auf dem Sensor nur diejenigen RNA-Stränge vorhanden sind, die genau zum DNA-Rezeptor passen. Hier kommt ein zweiter Effekt auf dem Sensor ins Spiel: der plasmonische photothermische (PPT) Effekt. Werden die Nanopartikel auf dem Sensor mit einem Laser einer bestimmten Wellenlänge angeregt, erzeugen sie lokale Wärme.

Wärme erhöht die Zuverlässigkeit

Wie trägt dies zur Zuverlässigkeit bei? Wie bereits erwähnt, enthält das Virusgenom einen einzelnen RNA-Strang. Findet dieser seinen komplementären Partner, verbinden sich die beiden in einem als Hybridisierung bezeichneten Prozess zu einer doppelsträngigen Struktur. Wird dieses Paar – der Doppelstrang – wieder in Einzelstränge getrennt, spricht man von Schmelzen oder Denaturierung. Dies geschieht bei einer bestimmten Schmelztemperatur. Liegt die Umgebungstemperatur jedoch unter der Schmelztemperatur, können sich auch nicht komplementäre Stränge verbinden. Ist sie nur geringfügig niedriger, verbinden sich ausschließlich komplementäre Stränge. Genau dies bewirkt die durch den PPT-Effekt erhöhte Umgebungstemperatur.

Um zu zeigen, wie zuverlässig der neue Sensor das gegenwärtige Coronavirus erkennt, testeten die Forscher ihn mit einem sehr eng verwandten Virus: SARS-CoV. Dieses Virus trat 2003 auf und löste die weltweite SARS-Epidemie aus. Die beiden Viren (SARS-CoV und SARS-CoV2) unterscheiden sich in ihrer RNA nur geringfügig. Die Überprüfung war erfolgreich: Jing Wang erklärte: „Die Tests zeigten, dass der Sensor klar zwischen den sehr ähnlichen RNA-Sequenzen dieser beiden Viren unterscheiden kann“. Außerdem liegen die Ergebnisse innerhalb weniger Minuten vor.

In der obigen Abbildung wird gezeigt, dass mit bifunktionalen LSPR-Biosensoren sehr geringe Viruskonzentrationen gemessen werden können. Zur Messung der Nachweisleistung wurden die bifunktionalen plasmonischen Nachweise von RdRp-COVID zusätzlich im Konzentrationsbereich von 0,01 pM bis 50 uM untersucht. Neben der RdRp-COVID-Sequenz wurde das bifunktionale LSPR-Sensorsystem auch durch den Nachweis selektiver Hybridisierung verschiedener Genomsequenzen von SARS-CoV-2 und SARS-CoV bestätigt: der ORF1ab-COVID-Sequenz und der E-Sequenz von SARSCoV- 2 sowie der RdRp-SARS-Sequenz von SARS-CoV.

Fazit

Der Nachweis von Viren in der Umgebung mit Biosensoren erfordert fortgeschrittene Kenntnisse und Erfahrung im Bioengineering. Wie diese Studie zeigt, werden Erfahrungen aus Biologie, Sensortechnik und Optik in Größenordnungen von Milliardstel Metern miteinander verbunden, um ausgefeilte biotechnologische Geräte zu entwickeln. Produkte aus dieser Zürcher Studie könnten bei künftigen weltweiten Epidemien eine Hauptrolle spielen. Derzeit ist der Sensor jedoch noch nicht bereit, die Coronavirus-Konzentration in der Luft zu messen, etwa im Zürcher Hauptbahnhof. Es sind noch einige Entwicklungsschritte erforderlich, beispielsweise ein System, das Luft ansaugt, die darin enthaltenen Aerosole konzentriert und RNA aus den Viren freisetzt. Wang sagt: „Das muss noch entwickelt werden“. Ist der Sensor aber erst bereit, kann dieses Prinzip auf andere Viren übertragen werden und helfen, einen Ausbruch frühzeitig zu erkennen und aufzuhalten.

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