L'Empa e il Politecnico di Zurigo sviluppano un sensore per il rilevamento del virus COVID-19

Jing Wang e il suo team dell'Empa e del Politecnico di Zurigo si occupano solitamente di misurare, analizzare e ridurre gli inquinanti atmosferici come gli aerosol e le nanoparticelle prodotte dall'uomo. Ma l'attuale sfida che il mondo intero deve affrontare sta cambiando anche gli obiettivi e le strategie dei laboratori di ricerca. Il nuovo obiettivo: un sensore in grado di rilevare il SARS-CoV-2 - il nuovo coronavirus - in modo rapido e affidabile.

Tuttavia, l'idea non è così lontana dal precedente lavoro di ricerca del gruppo: anche prima che il virus COVID-19 iniziasse a diffondersi, prima in Cina e poi in tutto il mondo, Wang e i suoi colleghi stavano studiando sensori in grado di rilevare batteri e virus nell'aria. Già a gennaio, quindi, è maturata l'idea di utilizzare queste basi e di sviluppare ulteriormente il sensore in modo da identificare in modo affidabile un virus specifico. Il sensore non è necessariamente destinato a sostituire i test di laboratorio consolidati, ma potrebbe essere utilizzato come metodo alternativo per la diagnosi clinica. E in particolare per misurare la concentrazione di virus nell'aria in tempo reale, ad esempio in luoghi affollati come stazioni ferroviarie o ospedali.

Sono urgentemente necessari test rapidi e affidabili per la COVID-19 per tenere sotto controllo la pandemia il prima possibile. La maggior parte dei laboratori utilizza un metodo molecolare chiamato "reazione a catena della polimerasi a trascrizione inversa", o in breve RT-PCR, per rilevare i virus nelle infezioni respiratorie. Si tratta di una procedura consolidata, in grado di rilevare anche minime quantità di virus, ma allo stesso tempo i test richiedono spesso molto tempo.

Il sensore utilizza un effetto ottico e termico per rilevare il virus COVID-19 in modo sicuro e affidabile.

Jing Wang e il suo team hanno sviluppato un metodo di analisi alternativo sotto forma di biosensore ottico. Il sensore combina due effetti diversi per rilevare il virus in modo sicuro e affidabile: uno ottico e uno termico.

Il sensore si basa su minuscole strutture d'oro, le cosiddette nanoisole d'oro, su un substrato di vetro. Alle nanoisole vengono applicate sequenze di DNA prodotte artificialmente, che corrispondono ad alcune sequenze di RNA del virus SARS-CoV-2. Il nuovo coronavirus è un cosiddetto virus a RNA: il suo genoma non è costituito da doppi filamenti di DNA, come nel caso di uomini, animali e piante, ma da un singolo filamento di RNA. I recettori artificiali del DNA sul sensore sono quindi le sequenze complementari alle sequenze uniche del genoma dell'RNA del virus, in grado di identificarlo in modo univoco.

La tecnologia utilizzata dai ricercatori per il rilevamento dei virus si chiama LSPR ("risonanza plasmonica di superficie localizzata"). Si tratta di un fenomeno ottico che si verifica nelle nanostrutture metalliche: quando sono eccitate, queste modulano la luce incidente in un certo intervallo di lunghezze d'onda e generano un cosiddetto campo vicino plasmonico intorno alla nanostruttura. Quando le molecole si agganciano alla superficie, l'indice di rifrazione ottica cambia proprio in questo punto del campo vicino plasmonico. Questo può essere misurato con un sensore ottico, che si trova sul retro del sensore, e quindi si può determinare se i filamenti di RNA ricercati sono presenti nel campione.

Tuttavia, è ovviamente centrale che solo i filamenti di RNA vengano catturati dal recettore del DNA sul sensore che si adatta esattamente ad esso. È qui che entra in gioco un secondo effetto: l'effetto fototermico plasmonico (PPT). Se la stessa nanostruttura sul sensore viene eccitata con un laser di una certa lunghezza d'onda, produce calore.

In che modo questo aiuta l'affidabilità? Come già detto, il materiale genetico del virus è costituito da un solo filamento di RNA. Se questo filamento trova la sua controparte complementare, i due si combinano per formare un doppio filamento - un processo chiamato ibridazione. L'opposto - quando un doppio filamento si divide in filamenti singoli - è chiamato fusione o denaturazione. Questo avviene a una certa temperatura, la temperatura di fusione. Tuttavia, se la temperatura ambiente è molto inferiore alla temperatura di fusione, possono unirsi anche filamenti non 100% complementari tra loro. Questo può portare a risultati errati del test. Se, invece, la temperatura ambiente è solo leggermente inferiore alla temperatura di fusione, solo i filamenti complementari possono unirsi. E questo è proprio il risultato dell'aumento della temperatura ambiente causato dall'effetto PPT.

Per dimostrare l'affidabilità del nuovo sensore nel rilevare l'attuale virus COVID-19, i ricercatori lo hanno testato con un virus molto simile: il SARS-CoV. Si tratta del virus che ha scatenato la pandemia di SARS nel 2003. I due virus - SARS-CoV e SARS-CoV2 - differiscono solo leggermente nel loro RNA, rendendo estremamente difficile una chiara distinzione. Ma l'esperimento è riuscito: "I nostri test hanno dimostrato che il sensore è in grado di distinguere chiaramente tra le sequenze di RNA molto simili dei due virus", spiega Jing Wang.

Al momento, il sensore non è ancora pronto per misurare la concentrazione di coronavirus nell'aria della stazione ferroviaria principale di Zurigo, ad esempio. A tal fine sono ancora necessari alcuni passaggi: ad esempio, un sistema che aspira l'aria, concentra gli aerosol e isola l'RNA dai virus. "Questo aspetto necessita ancora di un lavoro di sviluppo", afferma Wang. Ma una volta completato il sensore, il principio potrebbe essere applicato ad altri virus, aiutando a rilevare e forse anche a fermare precocemente future epidemie. (Fonte: Empa)