Biosensor umożliwia ultraszybkie i tanie wykrywanie Covid

Wyzwania stawiane przez pandemię COVID-19 pobudziły innowacje na kilku frontach. Pierwszym z nich jest opracowanie tanich metod diagnozy klinicznej. Przykładem tego są czujniki genotypowe. Oparte na kwasach nukleinowych wykrywające sekwencje DNA lub proste komplementarne RNA, sensory genetyczne są biosensorami, które umożliwiają wykonywanie masowych testów do natychmiastowego i czułego badania materiału genetycznego.

Urządzenie tego typu, o udowodnionej już skuteczności w wykrywaniu SARS-CoV-2, właśnie zostało wyprodukowane w Brazylii przez multidyscyplinarny zespół badaczy powiązanych z różnymi instytucjami i kierowany przez fizyka Osvaldo Novaes de Oliveira JrJest profesorem w Instytucie Fizyki São Carlos na Uniwersytecie São Paulo (IFSC-USP).

Wynik analizy może być gotowy w ciągu 30 minut, przy koszcie w skali laboratoryjnej poniżej 1 USD na czujnik genetyczny. Komponenty analizatora impedancji, stanowiącego stałą część urządzenia, kosztują mniej niż 200 USD. Urządzenie jest już na skalę laboratoryjną, a technologię można przenieść do dowolnej firmy, która ma środki na jej masową produkcję.

„Nasz czujnik genów może unieruchomić prostą nić DNA używaną jako sonda wychwytująca. W odpowiednich warunkach nić utrwalona wiąże się z komplementarną nicią DNA obecną w analizowanej próbce ciekłej. Proces ten, zwany hybrydyzacją, wskazuje na obecność SARS-CoV-2 w próbce, którą może być ślina lub inne płyny ustrojowe” – powiedziała chemik Juliana Quatrini Soares.

Soares jest pierwszym autorem artykułu opisującego badania i opublikowany W zakresie chemii materiałów.

Jak to działa

Urządzenie składa się z samoorganizującej się monowarstwy kwasu 11-merkaptoundekanowego (11-MUA) związanego chemicznie ze szklanymi elektrodami zawierającymi mikrometryczne włókna złota lub powierzchniami zawierającymi nanocząstki złota. To środowisko jest w stanie unieruchomić prostą nić DNA lub RNA stosowaną jako sonda wychwytująca. Hybrydyzacja z komplementarnym pasmem, jeśli jest obecna w próbce, jest pokazana przez różnice w parametrach fizycznych ujawnionych przez elektrochemiczną spektroskopię impedancji i rezonans zlokalizowany na powierzchni.

„Po hybrydyzacji następuje wzrost rezystancji elektrycznej na powierzchni czujnika, którą można monitorować za pomocą niedrogiego analizatora rezystancji, który kosztuje około 100 USD i został opracowany w naszym laboratorium przez inżyniera. Lorenzo Buscaglia, członek grupy. Innym efektem hybrydyzacji między sekwencją wychwytującą a komplementarną sekwencją SARS-CoV-2 jest przesunięcie piku absorpcji w widmie transmitowanym, które można monitorować za pomocą zlokalizowanego powierzchniowego rezonansu plazmonowego za pomocą spektrofotometru” – powiedział chemik. Paulo Augusto Raimundo Pereira, w badaniach uczestniczył badacz z IFSC-USP.

Najwyższa czułość uzyskana w badaniu odpowiada 0,3 kopii na mikrolitr, co wystarcza do wykrycia sekwencji DNA w ślinie lub innych płynach ustrojowych. Komplementarne sekwencje SARS-CoV-2 zostały również zdiagnozowane za pomocą technik uczenia maszynowego stosowanych do skanowania obrazów z mikroskopu elektronowego uzyskanych z czujników genów poddanych działaniu różnych stężeń komplementarnych sekwencji DNA.

„Dzięki zastosowaniu algorytmów uczenia maszynowego do przetwarzania obrazu byliśmy w stanie uzyskać wysoki stopień dokładności w rozróżnianiu różnych stężeń komplementarnych sekwencji DNA SARS-CoV-2” – powiedział Raymundo-Pereira.

W eksperymentach detekcyjnych weryfikowano czułość czujników genetycznych w próbkach kontrolnych, w tym sekwencji ujemnych dla SARS-CoV-2 i innych biomarkerów DNA niezwiązanych z wirusem. Analiza danych uzyskanych za pomocą wielowymiarowej techniki projekcji zwanej interaktywnym mapowaniem dokumentów (IDMAP) wykazała wyraźny rozdział między komplementarnymi sekwencjami DNA w różnych stężeniach a próbkami zawierającymi niekomplementarne sekwencje lub inne biomarkery DNA niezwiązane z SARS-CoV-2.

„Zaletą zastosowania kilku metodologii wykrywania jest wszechstronny tryb działania, dzięki któremu metodę diagnostyczną można wdrożyć zgodnie z realiami każdego kraju lub w różnych regionach krajów o wielkości kontynentu, takiego jak Brazylia. Nasz czujnik genów jest również obiecujący jako detektor materiału genetycznego z nowych wariantów SARS-CoV-2.Aby to zrobić, jeśli znana jest sekwencja genetyczna wariantu, można po prostu zamienić prostą nić DNA używaną jako sonda wychwytująca” – wyjaśnił Oliveira Jr.

W skład interdyscyplinarnego zespołu, który opracował urządzenie, weszli naukowcy z Instytutu Fizyki São Carlos na Uniwersytecie w São Paulo (IFSC-USP), Instytutu Chemii São Carlos (IQSC-USP), Instytutu Nauk Matematycznych i Informatycznych (ICMC- USP) oraz Zespołem Oprzyrządowania Brazylijskiej Korporacji Badań Rolniczych (EMBRAPA) oraz Instytutem Badawczym Pele Pequeno Principe w Kurytybie w stanie Paraná.

Badanie było wspierane przez Fundację Badawczą São Paulo – FAPESP w ramach dziesięciu projektów: 16 / 01919-6i 19 / 13514-9i 18/18953-8i 19 / 00101-8i 20 / 02938-0i 16 / 23763-8i 19 / 07811-0i 18/19750-3i 14/50867-3, I 18 / 22214-6.