Ван и его коллеги исследовали датчики, которые могли бы обнаружить бактерии и вирусы в воздухе. Еще в январе родилась идея использовать эту основу для дальнейшей разработки сенсора таким образом, чтобы он мог надежно идентифицировать конкретный вирус. Датчик не обязательно заменит установленные лабораторные тесты, но может использоваться в качестве альтернативного метода для клинической диагностики и, что более важно, для измерения концентрации вируса в воздухе в режиме реального времени: например, в людных местах, таких как вокзалы или больницы.
В большинстве лабораторий для обнаружения вирусов при респираторных инфекциях используется молекулярный метод, называемый полимеразной цепной реакцией с обратной транскрипцией, он же ОТ-ПЦР. Это хорошо известный метод, который может обнаружить даже небольшое количество вируса, но он довольно ошибочен. Например, есть данные, что 30% российских тестов ошибочны.
Цзин Ван и его команда разработали альтернативный метод испытаний в виде оптического биосенсора. Датчик сочетает в себе два различных эффекта для безопасного и надежного обнаружения вируса: оптический и тепловой. Он сделан из крошечных структур золота, так называемых золотых наноостровках, и расположен на стеклянной подложке. Искусственно полученные ДНК-рецепторы, которые соответствуют специфическим последовательностям РНК SARS-CoV-2, привиты на наноостровки. Таким образом, рецепторы на сенсоре являются комплементарными последовательностями уникальных РНК-последовательностей вируса, которые могут надежно идентифицировать вирус.
Технология, которую исследователи используют для обнаружения, называется LSPR — это сокращение от локализованного поверхностного плазмонного резонанса, оптического явления, которое происходит в металлических наноструктурах. При возбуждении они модулируют падающий свет в определенном диапазоне длины волн и создают плазмонное ближнее поле вокруг наноструктуры. Когда молекулы связываются с поверхностью, локальный показатель преломления в возбужденном плазмонном ближнем поле изменяется. Оптический датчик, расположенный на задней части датчика, можно использовать для измерения этого изменения и определения, содержит ли образец рассматриваемые нити РНК.
Правда, важно, чтобы захватывались только те цепи РНК, которые точно соответствуют рецептору ДНК на сенсоре. Здесь вступает в действие второй эффект: плазмонный фототермический эффект. Если та же самая наноструктура на датчике возбуждается лазером определенной длины волны, она производит локализованное тепло.
И как это помогает надежности? Геном вируса состоит только из одной цепи РНК. Если эта цепь находит свой дополнительный аналог, и они соединяются, образуя двойную цепь, то происходит процесс, называемый гибридизацией. Аналог — когда двойная нить расщепляется на отдельные нити, такой процесс называется плавлением или денатурацией. Это происходит при определенной температуре плавления. Однако, если температура окружающей среды намного ниже, чем температура плавления, нити, которые не дополняют друг друга, также могут соединяться. Это может привести к ложным результатам теста. Если температура окружающей среды лишь немного ниже, чем температура плавления, могут присоединяться только дополнительные нити. И это как раз результат повышенной температуры окружающей среды, вызванной плазмонным фототермическим эффектом.
«Испытания показали, что датчик может четко различать очень похожие последовательности РНК двух вирусов. И результаты готовы в считанные минуты. Правда, это все еще требует разработки. Но как только датчик будет готов, этот принцип может быть применен к другим вирусам и поможет обнаружить и остановить эпидемии на ранней стадии».
Цзин Ван, автор изобретения
Чтобы продемонстрировать, насколько надежно новый датчик обнаруживает текущий вирус COVID-19, исследователи проверили его с очень близким вирусом: SARS-CoV. Это вирус, который вспыхнул в 2003 году и вызвал пандемию атипичной пневмонии. Два вируса — SARS-CoV и SARS-CoV2 — незначительно отличаются по своей РНК. И проверка прошла успешно.