Разработан биосенсор, способный ОБНАРУЖИВАТЬ новый коронавирус В ВОЗДУХЕ

Нового коронавируса обнаружение стало целью разработанного биосенсора, биологического датчика. В будущем он может измерять концентрацию вируса в многолюдных помещениях или больницах.

Исследователи Empa, ETH Цюриха и Цюрихского университета обычно изучают измерение, анализ и уменьшение загрязнителей воздуха, например аэрозолей и искусственных наночастиц. Но охватившая мир пандемия COVID-19меняет цели и стратегии прежде работавших в иных областях лабораторий. Новый фокус — датчик быстрого надёжного выявления SARS-CoV-2!

• Аэрозоли— твёрдые или жидкие частицы, взвешенные в воздухе. Диаметр от 0.003 до 100 микрометров. Коронавирус преимущественно передаётся дыхательными каплями при кашле и близком контакте. Однако предполагается передача и вирусом в аэрозолях.
• Наночастицы— структуры размером от миллиардной до десятимиллионной доли метра; также называются нанозёрнами.

Идея вирусного биосенсора недалека от прежних работ группы: ещё до распространения COVID-19 сначала в Китае, затем в мире Ван и коллеги исследовали датчики бактерий и вирусов воздуха. В начале января возникла идея дальнейшего развития надёжного биосенсора конкретного вируса. Конечно, он не заменит существующие лабораторные тесты, но может стать альтернативой клинической диагностике и более наглядно измерять концентрацию вируса в воздухе, например в людных больницах и на вокзалах.

Для скорого контроля глобальной эпидемии срочно нужны быстрые надёжные тесты. Большинство лабораторий при респираторных инфекциях используют молекулярный метод обратной транскрипции с полимеразной цепной реакцией, сокращённо RT-PCR . Он хорошо разработан и выявляет даже немного вируса, но требует времени и может ошибаться.

Оптический датчик образцов RNA

Цзин Ван и команда создали альтернативный оптический биосенсор. Для надёжного безопасного выявления вируса он соединяет два эффекта: оптический, световой, и термический, тепловой.

Датчик основан на мелких золотых наночастицах на стекле — золотых наноостровках AuNIs. На них закрепляют искусственные DNA-рецепторы, соответствующие RNA-последовательностям SARS-CoV2. Коронавирус — RNA вирус: его геном состоит не из двойной цепи живых организмов DNA, а из одноцепочечной RNA. Поэтому рецепторы датчика — комплементарные последовательности, надёжно распознающие специфические цепи RNA вируса.

Технология обнаружения — LSPR, локализованный поверхностный плазмонный резонанс. Это оптическое явление металлических наночастиц: при возбуждении они модулируют свет определённых длин волн и создают ближнее плазмонное поле вокруг себя. При связывании молекул с поверхностью меняется локальный показатель преломления в возбуждённом поле. Оптический датчик сзади измеряет изменение, определяя наличие нужной цепи RNA в образце.

На рисунке вышепоказаны локальные ответы LSPR вокруг источника тепла PPT в AuNI. Важно, чтобы на датчике были только цепи RNA, точно соответствующие DNA-рецептору. Здесь включается второй эффект — плазмонный фототермический (PPT) эффект. При лазерном возбуждении наночастиц определённой длиной волны возникает местный нагрев.

Температура повышает надёжность

Как это помогает? Геном вируса содержит одну цепь RNA. Найдя комплементарную пару, цепи соединяются в двойную структуру — гибридизация. Разъединение пары на отдельные цепи называют плавлением или денатурацией, происходящей при определённой температуре. Но если температура среды ниже температуры плавления, могут связываться и некомплементарные цепи. Если ниже лишь немного, соединяются только комплементарные. Именно к этому приводит повышение температуры эффектом PPT.

Чтобы доказать надёжное выявление нынешнего коронавируса, датчик испытали на близкородственном SARS-CoV, возникшем в 2003 и вызвавшем SARS. Два вируса, SARS-CoV и SARS-CoV2, лишь немного различаются RNA. Проверка удалась. Цзин Ван объяснил: «Тесты показали, что датчик чётко различает очень сходные последовательности RNA этих двух вирусов». Результаты готовы за несколько минут.

На рисунке вышепоказано измерение очень низких вирусных концентраций двухфункциональными LSPR-биосенсорами. Для оценки обнаружения дополнительно исследовали двухфункциональное плазмонное выявление RdRp-COVID от 0.01 pM до 50 uM. Кроме RdRp-COVID систему подтвердили избирательной гибридизацией нескольких геномных последовательностей SARS-CoV-2 и SARS-CoV: у SARSCoV- 2 — ORF1ab-COVID и E-последовательности и RdRp-SARS вируса SARS-CoV.

Заключение

Биосенсорное выявление вируса в среде требует передовых знаний и опыта биоинженерии. Как показывает работа, на миллиардных долях метра объединяют опыт биологии, сенсоров и оптики для создания сложных биотехнологических устройств. Продукты цюрихского исследования могут стать ключевыми в будущих пандемиях. Но датчик ещё не готов измерять коронавирус в воздухе, например на центральном вокзале Цюриха. Нужны дальнейшие шаги: система забора воздуха, концентрации аэрозолей и высвобождения RNA вирусов. Ван говорит: «Это ещё необходимо разработать». Когда датчик готов, принцип можно распространить на другие вирусы для раннего выявления и остановки эпидемии.

- ВСЕ НАШИ СТАТЬИ О КОРОНАВИРУСЕ -

Измените настройки для просмотра внешнего контента

Измените настройки для просмотра внешнего контента