Yeni tip koronavirüsün tespit edilmesi için bir biyosensör (biyolojik algılayıcı) geliştirildiği duyuruldu. Bu biyosensör, gelecekte çok sayıda insanın bulunduğu kapalı yerlerde veya hastanelerde virüs yoğunluğunun ölçümünde kullanılabilir.
Empa, ETH Zürih ve Zürih Üniversitesi araştırmacıları, genellikle aeresoller ve yapay üretilen nanopartiküller gibi havayı kirleten maddelerin ölçülmesi, analiz edilmesi ve azaltılması üzerine çalışmalar yapmaktadır. Ancak, tüm dünyanın şu anda karşı karşıya kalmış olduğu COVID-19 Pandemisi, daha önce farklı alanlarda çalışan laboratuvarların hedef ve stratejilerini de değiştirmektedir. Yeni odak noktası: yeni tip koronavirüsü olan SARS-CoV-2’yi hızlı ve güvenilir bir şekilde tespit edebilecek bir sensör!
- Aerosol, havada asılı durabilen katı veya sıvı parçacıklara denmektedir. Boyutları, çap olarak 0.003 mikrometreden 100 mikrometreye kadar olabilir. Koronavirüs, esas olarak öksürük ve yakın temasla bir kişiden diğerine geçen solunum damlacıkları yolu ile bulaşmaktadır. Bununla birlikte, aerosollerde bulunabilen virüs nedeni ile bulaş olabileceği düşünülmektedir.
- Nanopartikül, metrenin milyarda - on milyonda biri boyuttaki yapılardır. Nanotanecik olarak da dilimizde kullanılmaktadır.
Virüs tespiti için biyosensör fikri, bu araştırma grubunun şimdiye kadar olan önceki araştırma çalışmalarından çok da uzak değildi: hatta COVID-19 ilk Çin'de sonra da dünya çapında yayılmaya başlamadan önce bile, Wang ve meslektaşları havadaki bakteri ve virüsleri tespit edebilecek sensörlar üzerine araştırmalar yapıyordu. Ocak ayı başlarında, belli bir virüsü güvenilir bir şekilde tanımlayabilecek bir biyosensörün daha geliştirilmesi fikri doğdu. Tabii ki sensör halihazırda var olan laboratuvar testlerinin yerini almayacak, ama klinik teşhisler için alternatif bir yöntem olarak ve eş zamanlı havadaki virüs yoğunluğunun daha görünür bir şekilde ölçülmesinde kullanılabilir. Örneğin, hastaneler ve tren istasyonları gibi kalabalık ve yoğun yerlerde.
Küresel salgının olabildiğince kısa sürede kontrol altına alınması için hızlı ve güvenilir testlere acil olarak ihtiyaç duyulmaktadır. Çoğu laboratuvar solunum enfeksiyonlarında virüsün tespit edilmesi için ters transkripsiyon polimeraz zincir reaksiyonu olarak isimlendirilen ya da kısaca RT-PCR denilen moleküler bir metot kullanılıyor. Bu metot iyi belirlenmiştir ve çok az miktardaki virüsü bile tespit edebilir – ancak zaman alıcıdır ve hataya meyilli olabiliyor.
RNA örnekleri için optik bir sensör
Jing Wang ve ekibi optik bir biyosensör formunda alternatif bir test yöntemi geliştirdiler. Sensör, virüsü güvenilir ve güvenli bir şekilde tespit etmek için iki farklı etkiyi birleştirir: optik (ışık) ve termal (ısı).
Sensör cam bir alt katman üzerinde altın nanoislandlar (AuNIs) olarak adlandırılan küçük altın nanotaneciklere dayanmaktadır. SARS-CoV2’nin RNA dizileri eşleşen yapay üretilmiş DNA reseptörleri nanoislandlar üzerine aşılanır. Koronavirüs bir RNA virüsüdür: genomu yaşayan organizmalarda bulunan çift zincirli DNA'dan meydana gelmez, tek zincirli bir RNA’dan oluşur. Bu yüzden sensör üzerindeki reseptörler, virüsün özgün RNA zincirlerini güvenilir bir şekilde tanımlayabilen tamamlayıcı dizilerdir.
Araştırmacıların tespit etmek için kullandığı bu teknoloji LSPR'dir (Lokalize Yüzey Plazmon Rezonansı). Bu metalik nanotaneciklerden meydana gelen optik bir fenomendir: uyarıldıklarında, belirli bir dalga boyu aralığında gelen ışığı modüle ederler ve nanotaneciğin etrafında bir plazmonik yakın alan oluştururlar. Moleküller yüzeye bağlandıklarında, uyarılmış plazmonik yakın alan dahilindeki lokal kırıcı indeks değişir. Sensörün arkasındaki bir optik sensör bu değişikliği ölçmek için kullanılabilir ve böylelikle örneğin söz konusu RNA zincirini içerip içermediği saptanır.
Yukarıdaki şekilde, AuNI'lerde PPT, ısı kaynağı etrafında taranan yerel LSPR yanıtları gösterilmiştir. Ancak, sensörün üzerinde yalnızca DNA reseptörü ile tam olarak eşleşen bu RNA zincirlerinin olması önemlidir. Bu, sensör üzerinde ikinci bir etkinin devreye girdiği yerdir: plazmolik fototermal (PPT) etki. Eğer sensör üzerindeki nanotanecikler net bir dalga boyunda lazerle uyarılırsa, bölgesel sıcaklık üretir.
Sıcaklık güvenirliliği artırır
Peki bu nasıl güvenirliliğe yardımcı olur? Daha önce bahsedildiği gibi, virüs genomu tek bir RNA zinciri içerir. Eğer bu zincir tamamlayıcı eşini bulursa, bu ikisi hibridizasyon olarak adlandırılan bir süreç ile çift zincirli yapı oluşturmak üzere bir araya gelirler. Bu eş – çift zincir tek zincirlere ayrıldığı zaman – erime veya denatürasyon olarak adlandırılır. Bu olay belli bir erime sıcaklığında gerçekleşir. Ancak, eğer ortam sıcaklığı erime sıcaklığından daha düşükse, birbirini tamamlayıcı olmayan zincirler de bağlanabilirler. Eğer ortam sıcaklığı yalnızca çok az düşükse, sadece tamamlayıcı zincirler katılır. Ve bu PPT etkisinin sebep olduğu artan ortam sıcaklığının sonucudur.
Araştırmacılar, yeni sensörün şu anki koronavirüsü ne kadar güvenilir bir şekilde tespit ettiği kanıtlamak için onu çok yakından ilişkili olan bir virüs ile test ettiler: SARS-CoV. Bu virüs 2003 ortaya çıkan ve SARS küresel salgınını tetikleyen virüstür. İki virüs (SARS-CoV ve SARS-CoV2) sadece RNA’larında çok küçük farklılık gösterir. Ve doğrulama başarılı oldu: Jing Wang “Testler, sensörün bu iki virüsün çok benzer RNA dizileri arasında net bir şekilde ayırım yapabildiğini gösterdi” şeklinde açıklama yaptı. Ayrıca sonuçlar birkaç dakika içinde hazır oluyor.
Yukarıdaki şekilde, çift fonksiyonlu LSPR biyosensorleri kullanılarak çok düşük viral kosantrasyonların ölçülebildiği gösterilmiştir. Algılama performansını ölçmek için RdRp-COVID'nin çift fonksiyonlu plazmonik saptamalar 0.01 pM’den 50 uM’a kadar olan konsantrasyon aralığı üzerinde ayrıca araştırılmış olup, RdRp-COVID sekansına ek olarak, SARS-CoV-2 ve SARS-CoV'den birkaç farklı genom sekansında seçici hibridizasyon saptaması yaparak çift fonksiyonlu LSPR algılama sistemini de doğrulanmıştır: SARSCoV- 2’den ORF1ab-COVID sekansı ve E sekansı, SARS-CoV’dan RdRp-SARS sekansı.
Sonuç
Ortam virüsünün biyosensörlerle tespit edilmesi, ileri biyomühendislik bilgisi ve tecrübesi gerektirmektedir. Bu çalışmada da görüleceği üzere, metrenin milyarda biri boyutlarda, hem biyoloji hem sensör hem de optik bilimine dair tecrübeler harmanlanarak sofistike biyoteknolojik cihazlar üretilmeye çalışılmaktadır. Zürih kaynaklı bu çalışmadan çıkacak ürünler, gelecekteki küresel salgınlarda baş aktörlerden biri olabilir. Ancak şu anda sensör havadaki (örneğin Zürih merkez demiryolları istasyonunda) koronavirüs yoğunluğunu ölçmek için henüz hazır değil. Hala geliştirici birkaç adamın yapılmasını ihtiyaç vardır – örneğin, havada çeken, içindeki aeroselleri konsantre eden ve virüslerden RNA’yı serbest bırakan bir sistem. Wang “hala bunun geliştirilmesi gereklidir” diyor. Ama sensor hazır olduğunda, bu ilke diğer virüslere uygulanabilir ve erken bir safhada salgını tespit edip durdurmaya yardımcı olabilir.
