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– Un equipo de investigadores de Empa, ETH Zúrich y el Hospital Universitario de Zúrich logró desarrollar un nuevo sensor para detectar el nuevo coronavirus. En el futuro, podría usarse para medir la concentración del virus en el medio ambiente, por ejemplo, en lugares donde hay muchas personas o en sistemas de ventilación hospitalarios.
Cortesía de EMPA por Karin Weinmann: Jing Wang y su equipo de Empa y ETH Zurich generalmente trabajan en la medición, análisis y reducción de contaminantes en el aire como aerosoles y nanopartículas producidas artificialmente. Sin embargo, el desafío al que se enfrenta actualmente el mundo entero también está cambiando los objetivos y las estrategias en los laboratorios de investigación. El nuevo enfoque: un sensor que puede detectar de forma rápida y confiable el SARS-CoV-2, el nuevo corona virus.
Pero la idea no está tan alejada del trabajo de investigación anterior del grupo: incluso antes de que el COVID-19 comenzara a extenderse, primero en China y luego en todo el mundo, Wang y sus colegas estaban investigando sensores que pudieran detectar bacterias y virus en el aire. Ya en enero, nació la idea de utilizar esta base para desarrollar aún más el sensor de tal manera que pudiera identificar de manera confiable un virus específico. El sensor no reemplazará necesariamente las pruebas de laboratorio establecidas, pero podría usarse como un método alternativo para el diagnóstico clínico y, de manera más prominente, para medir la concentración de virus en el aire en tiempo real: por ejemplo, en lugares concurridos como estaciones de tren u hospitales.
Se necesitan urgentemente pruebas rápidas y confiables para el nuevo coronavirus para controlar la pandemia lo antes posible. La mayoría de los laboratorios utilizan un método molecular llamado reacción en cadena de la polimerasa de transcripción inversa, o RT-PCR para abreviar, para detectar virus en infecciones respiratorias. Esto está bien establecido y puede detectar incluso una pequeña cantidad de virus, pero al mismo tiempo puede llevar mucho tiempo y ser propenso a errores.
Un sensor óptico para muestras de ARN
Jing Wang y su equipo han desarrollado un método de prueba alternativo en forma de biosensor óptico. El sensor combina dos efectos diferentes para detectar el virus de manera segura y confiable: uno óptico y uno térmico.
El sensor se basa en pequeñas estructuras de oro, llamadas nanoislands de oro, en un sustrato de vidrio. Los receptores de ADN producidos artificialmente que coinciden con secuencias de ARN específicas del SARS-CoV-2 se injertan en las nanoislas. El coronavirus es un denominado virus de ARN: su genoma no consiste en una doble cadena de ADN como en los organismos vivos, sino en una sola cadena de ARN. Los receptores en el sensor son, por lo tanto, las secuencias complementarias de las secuencias de ARN únicas del virus, que pueden identificar el virus de manera confiable.
La tecnología que usan los investigadores para la detección se llama LSPR, abreviatura de resonancia de plasmones de superficie localizada. Este es un fenómeno óptico que ocurre en las nanoestructuras metálicas: cuando se excitan, modulan la luz incidente en un rango de longitud de onda específico y crean un campo cercano plasmónico alrededor de la nanoestructura. Cuando las moléculas se unen a la superficie, cambia el índice de refracción local dentro del campo cercano plasmónico excitado. Se puede utilizar un sensor óptico ubicado en la parte posterior del sensor para medir este cambio y así determinar si la muestra contiene las cadenas de ARN en cuestión.
El calor aumenta la fiabilidad
Sin embargo, es importante que solo se capturen las cadenas de ARN que coinciden exactamente con el receptor de ADN del sensor. Aquí es donde entra en juego un segundo efecto en el sensor: el efecto fototérmico plasmónico (PPT). Si la misma nanoestructura en el sensor se excita con un láser de cierta longitud de onda, produce calor localizado.
¿Y cómo ayuda eso a la confiabilidad? Como ya se mencionó, el genoma del virus consta de una sola cadena de ARN. Si esta cadena encuentra su contraparte complementaria, las dos se combinan para formar una cadena doble, un proceso llamado hibridación. La contraparte, cuando una hebra doble se divide en hebras simples, se llama fusión o desnaturalización. Esto sucede a cierta temperatura, la temperatura de fusión. Sin embargo, si la temperatura ambiente es mucho más baja que la temperatura de fusión, los hilos que no son complementarios entre sí también pueden conectarse. Esto podría conducir a resultados de prueba falsos. Si la temperatura ambiente es solo ligeramente más baja que la temperatura de fusión, solo pueden unirse hebras complementarias. Y esto es exactamente el resultado del aumento de la temperatura ambiente, que es causada por el efecto PPT.
Para demostrar cuán confiablemente el nuevo sensor detecta el virus COVID-19 actual, los investigadores lo probaron con un virus muy relacionado: el SARS-CoV. Este es el virus que estalló en 2003 y desencadenó la pandemia de SARS. Los dos virus, SARS-CoV y SARS-CoV2, difieren solo ligeramente en su ARN. Y la validación fue exitosa: «Las pruebas mostraron que el sensor puede claramente distinguir entre las secuencias de ARN muy similares de los dos virus «, explica Jing Wang. Y los resultados están listos en cuestión de minutos.
Por el momento, sin embargo, el sensor aún no está listo para medir la concentración del virus corona en el aire, por ejemplo en la estación principal de trenes de Zúrich. Todavía se necesitan varios pasos de desarrollo para hacer esto, por ejemplo, un sistema que atrae el aire, concentra los aerosoles y libera el ARN de los virus. «Esto todavía necesita trabajo de desarrollo», dice Wang. Pero una vez que el sensor está listo, el principio podría aplicarse a otros virus y ayudar a detectar y detener epidemias en una etapa temprana.
Información
Prof. Dr. Jing Wang
Tecnologías analíticas avanzadas
Teléfono +41 58765 61 15
jing.wang@empa.ch
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