زیست‌حسگری ساخته شد که می‌تواند کروناویروس جدید را در هوا شناسایی کند
در این مقاله
کروناویروس جدید اعلام شد برای شناسایی آن یک زیست‌حسگر (حسگر زیستی) ساخته شده است. این زیست‌حسگر در آینده می‌تواند برای اندازه‌گیری تراکم ویروس در فضاهای بسته پرجمعیت یا بیمارستان‌ها به کار رود.
پژوهشگران Empa، ETH زوریخ و دانشگاه زوریخ معمولاً درباره اندازه‌گیری، تحلیل و کاهش آلاینده‌های هوا مانند آئروسل‌ها و نانوذرات مصنوعی مطالعه می‌کنند. اما بحرانی که اکنون سراسر جهان با آن روبه‌رو است، یعنی همه‌گیری COVID-19، هدف‌ها و راهبردهای آزمایشگاه‌هایی را که قبلاً در زمینه‌های دیگر کار می‌کردند نیز تغییر می‌دهد. تمرکز تازه: حسگری که کروناویروس جدید SARS-CoV-2 را سریع و قابل‌اعتماد شناسایی کند!
- آئروسلبه ذرات جامد یا مایع معلق در هوا گفته می‌شود. قطر آن‌ها می‌تواند از 0.003 میکرومتر تا 100 میکرومتر باشد. کروناویروس عمدتاً از راه قطرات تنفسی که با سرفه و تماس نزدیک از فردی به فرد دیگر می‌روند منتقل می‌شود. بااین‌حال تصور می‌شود ویروس موجود در آئروسل‌ها نیز می‌تواند باعث انتقال شود.
- نانوذرهساختاری با اندازه یک میلیاردیم تا یک ده‌میلیونیم متر است. در زبان ما نام نانودانه نیز برای آن به کار می‌رود.
ایده زیست‌حسگر برای شناسایی ویروس از پژوهش‌های پیشین این گروه چندان دور نبود: حتی پیش از آغاز گسترش COVID-19 در چین و سپس جهان، وانگ و همکاران درباره حسگرهای شناسایی باکتری و ویروس در هوا پژوهش می‌کردند. اوایل ژانویه ایده توسعه زیست‌حسگر دیگری برای شناسایی قابل‌اعتماد یک ویروس مشخص شکل گرفت. البته حسگر جایگزین آزمایش‌های آزمایشگاهی موجود نخواهد شد، اما می‌تواند روشی جایگزین برای تشخیص بالینی و اندازه‌گیری هم‌زمان و نمایان‌تر تراکم ویروس در هوا باشد؛ مثلاً در مکان‌های شلوغی مانند بیمارستان و ایستگاه قطار.
برای مهار هرچه سریع‌تر همه‌گیری جهانی، فوراً به آزمایش‌های سریع و قابل‌اعتماد نیاز داریم. بیشتر آزمایشگاه‌ها برای شناسایی ویروس در عفونت‌های تنفسی از روش مولکولی واکنش زنجیره‌ای پلیمراز با رونویسی معکوس، به‌اختصار RT-PCR، استفاده می‌کنند. این روش به‌خوبی شناخته شده و حتی مقدار بسیار کم ویروس را تشخیص می‌دهد، اما وقت‌گیر است و ممکن است خطاپذیر باشد.
حسگر نوری برای نمونه‌های RNA
جینگ وانگ و گروهش روش آزمایشی جایگزینی به‌شکل زیست‌حسگر نوری ساختند. حسگر برای شناسایی مطمئن و ایمن ویروس دو اثر مختلف را ترکیب می‌کند: نوری (نور) و حرارتی (گرما).
حسگر بر نانوذرات کوچک طلا موسوم به نانوجزیره‌های طلا (AuNIs) روی زیرلایه شیشه‌ای استوار است. گیرنده‌های DNA مصنوعی منطبق با توالی RNA ویروس SARS-CoV2 روی نانوجزیره‌ها پیوند زده می‌شوند. کروناویروس یک ویروس RNA است: ژنوم آن از DNAدورشته‌ای موجود در موجودات زنده تشکیل نشده، بلکه RNA تک‌رشته‌ای است. بنابراین گیرنده‌های حسگر، توالی‌های مکملی هستند که رشته‌های ویژه RNA ویروس را با اطمینان شناسایی می‌کنند.
فناوری مورد استفاده پژوهشگران برای شناسایی، LSPR (تشدید پلاسمون سطحی موضعی) است. این پدیده نوری از نانوذرات فلزی ناشی می‌شود: هنگام تحریک، نور ورودی را در محدوده طول موج مشخص تعدیل می‌کنند و میدان نزدیک پلاسمونی اطراف نانوذره می‌سازند. اتصال مولکول‌ها به سطح، ضریب شکست موضعی در میدان نزدیک پلاسمونی تحریک‌شده را تغییر می‌دهد. حسگر نوری پشت حسگر می‌تواند این تغییر را اندازه بگیرد و وجود یا نبود رشته RNA موردنظر را در نمونه مشخص کند.
در شکل بالا، پاسخ‌های موضعی LSPR اسکن‌شده پیرامون منبع گرمای PPT در AuNI نشان داده شده است. اما مهم است فقط رشته‌های RNA کاملاً منطبق با گیرنده DNA روی حسگر قرار بگیرند. اینجاست که اثر دوم حسگر وارد عمل می‌شود: اثر فوتوترمال پلاسمونی (PPT). اگر نانوذرات روی حسگر با لیزر در طول موجی مشخص تحریک شوند، گرمای موضعی تولید می‌کنند.
دما قابلیت اعتماد را افزایش می‌دهد
این چگونه به اعتمادپذیری کمک می‌کند؟ همان‌طور که گفته شد، ژنوم ویروس یک رشته RNA دارد. اگر رشته جفت مکمل خود را بیابد، در فرایندی به نام هیبریداسیون برای ساخت ساختاری دورشته‌ای به هم می‌پیوندند. جداشدن این جفت، یعنی تبدیل دورشته به تک‌رشته‌ها، ذوب یا دناتوراسیون نام دارد و در دمای ذوب معینی رخ می‌دهد. اما اگر دمای محیط از دمای ذوب کمتر باشد، رشته‌های غیرمکمل نیز می‌توانند متصل شوند. اگر دما فقط اندکی پایین‌تر باشد، تنها رشته‌های مکمل متصل می‌شوند. این همان نتیجه افزایش دمای محیط بر اثر PPT است.
پژوهشگران برای اثبات شناسایی قابل‌اعتماد کروناویروس کنونی، حسگر را با ویروس بسیار نزدیک SARS-CoV آزمودند. این همان ویروس پدیدارشده در 2003 و عامل همه‌گیری جهانی SARS است. دو ویروس SARS-CoV و SARS-CoV2 فقط تفاوت بسیار کوچکی در RNA دارند. تأیید موفق بود؛ جینگ وانگ گفت: «آزمایش‌ها نشان داد حسگر می‌تواند میان توالی‌های بسیار مشابه RNA این دو ویروس به‌روشنی تمایز بگذارد». همچنین نتایج ظرف چند دقیقه آماده می‌شوند.
در شکل بالا، نشان داده شده زیست‌حسگرهای دوکاره LSPR می‌توانند غلظت‌های بسیار کم ویروسی را اندازه بگیرند. برای سنجش عملکرد، شناسایی پلاسمونی دوکاره RdRp-COVID در محدوده غلظت 0.01 pM تا 50 uM نیز بررسی شد. افزون بر توالی RdRp-COVID، با شناسایی هیبریداسیون انتخابی در چند توالی ژنومی مختلف SARS-CoV-2 و SARS-CoV، سامانه دوکاره LSPR تأیید شد: از SARSCoV- 2 توالی ORF1ab-COVID و توالی E، و از SARS-CoV توالی RdRp-SARS.
نتیجه
شناسایی ویروس محیط با زیست‌حسگر به دانش و تجربه پیشرفته مهندسی زیستی نیاز دارد. چنان‌که این پژوهش نشان می‌دهد، با ترکیب تجربه زیست‌شناسی، حسگر و نورشناسی در ابعاد یک میلیاردیم متر، تلاش می‌شود دستگاه‌های پیچیده زیست‌فناورانه ساخته شوند. محصولات این پژوهش زوریخ ممکن است در همه‌گیری‌های جهانی آینده نقشی اصلی داشته باشند. اما حسگر فعلاً برای اندازه‌گیری تراکم کروناویروس در هوا، مثلاً در ایستگاه مرکزی راه‌آهن زوریخ، آماده نیست. هنوز چند گام توسعه لازم است؛ از جمله سامانه‌ای که هوا را به درون بکشد، آئروسل‌ها را تغلیظ کند و RNA را از ویروس آزاد سازد. وانگ می‌گوید: «هنوز باید این بخش توسعه یابد». اما پس از آماده‌شدن حسگر، این اصل برای ویروس‌های دیگر نیز قابل‌استفاده است و می‌تواند به شناسایی و مهار زودهنگام همه‌گیری کمک کند.
- همه نوشته‌های ما درباره کروناویروس -
آیا این مقاله برای شما مفید بود؟
بازخورد شما به بهبود محتوای ما کمک می‌کند.
نظرهای خوانندگان
نظر خود را بنویسید
نام و دیدگاه شما فقط پس از تأیید مدیر منتشر می‌شود. نشانی ایمیل شما هرگز به بازدیدکنندگان نمایش داده نمی‌شود.
اولین نظر را شما بنویسید.