Jing Wang e il suo team di Empa ed ETH di Zurigo sono abituati a lavorare con gli inquinanti ambientali. Misurano, analizzano e riducono gli agenti inquinanti presenti nell’aria come gli aerosol e le nanoparticelle.
Ma la sfida che oggi il mondo intero sta affrontando sta cambiando anche gli obiettivi e le strategie nei laboratori di ricerca. Il nuovo focus è quindi diventato: sviluppare un sensore in grado di rilevare il nuovo coronavirus SARS-CoV-2 in modo rapido e affidabile.
In realtà, ancora prima che il 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 è nata l’idea di utilizzare questa base per sviluppare un sensore per identificare in modo affidabile un virus specifico. Il sensore non andrà necessariamente a sostituire i test di laboratorio convenzionali, ma potrebbe essere usato come metodo alternativo per la diagnosi clinica e, soprattutto, per misurare la concentrazione di virus nell’aria in tempo reale: ad esempio in luoghi affollati come stazioni ferroviarie oppure ospedali.
Su una cosa concordano tutti: sono necessari e urgenti test rapidi e affidabili per il nuovo coronavirus al fine di tenere la pandemia sotto controllo. La maggior parte dei laboratori utilizza un metodo molecolare chiamato reazione a catena della polimerasi a trascrizione inversa, o RT-PCR, per rilevare virus nelle infezioni respiratorie. Questo metodo è ben consolidato e può rilevare anche minuscole quantità di virus, ma allo stesso tempo può richiedere molto tempo e essere soggetto ad errori.
Un sensore ottico per campioni di RNA
Jing Wang e il suo team hanno pertanto sviluppato un metodo alternativo sotto forma di un biosensore ottico. Il sensore combina due diversi effetti per rilevare il virus: ottico e termico.
Il sensore si basa su minuscole strutture d’oro, le cosiddette “nanoisole” d’oro, su un substrato di vetro. I recettori del DNA prodotti artificialmente che corrispondono a specifiche sequenze di RNA del SARS-CoV-2 sono innestati sulle nanoisole. Il coronavirus è un virus a RNA: il suo genoma non consiste in un doppio filamento di DNA come negli organismi viventi, ma in un singolo filamento di RNA. I recettori sul sensore sono quindi le sequenze complementari alle sequenze RNA uniche del virus, che possono identificare in modo affidabile il virus.
La tecnologia utilizzata dai ricercatori per il rilevamento si chiama LSPR, abbreviazione di localized surface plasmon resonance, ossia risonanza plasmonica di superficie localizzata.
È un fenomeno ottico che si verifica nelle nanostrutture metalliche: quando eccitati, modulano la luce incidente in un intervallo di lunghezze d’onda specifiche e creano un campo vicino plasmonico attorno alla nanostruttura. Quando le molecole si legano alla superficie, l’indice di rifrazione locale all’interno del campo vicino plasmonico eccitato cambia. Un sensore ottico situato sul retro del sensore può essere utilizzato per misurare questo cambiamento e quindi determinare se il campione contiene i filamenti di RNA in questione.
Il calore aumenta l’affidabilità
È importante in questo caso catturare soltanto quei filamenti di RNA che corrispondono esattamente al recettore del DNA sul sensore. È qui che entra in gioco un secondo effetto sul sensore: l’effetto fototermico plasmonico (PPT, plasmonic photothermal). Se la stessa nanostruttura sul sensore viene eccitata con un laser di una certa lunghezza d’onda, produce calore localizzato.
E in che modo aiuta l’affidabilità? Come già accennato, il genoma del virus è costituito da un solo filamento di RNA. Se questo filamento singolo trova la sua controparte complementare, i due si uniscono per formare un doppio filamento, un processo chiamato ibridazione. Il processo opposto – quando un doppio filamento si divide in singoli filamenti – si chiama fusione o denaturazione. Questo accade a una certa temperatura, la temperatura di fusione. Tuttavia, se la temperatura ambientale è molto più bassa di quella di fusione, possono anche collegarsi fili non complementari tra loro. Ciò potrebbe portare a risultati falsi del test. Se la temperatura ambiente è solo leggermente inferiore alla temperatura di fusione, possono unire solo fili complementari. E questo è esattamente il risultato dell’aumento della temperatura ambiente, causato dall’effetto PPT.
Per dimostrare l’affidabilità con cui il nuovo sensore rileva l’attuale virus COVID-19, i ricercatori lo hanno testato con un virus strettamente correlato: SARS-CoV, in pratica il virus che è “scoppiato” nel 2003 e ha scatenato la pandemia di SARS. I due virus – SARS-CoV e SARS-CoV2 – differiscono solo leggermente nel loro RNA. E la convalida ha avuto esito positivo: «I test hanno dimostrato che il sensore è in grado di distinguere chiaramente tra sequenze di RNA molto simili dei due virus», spiega Jing Wang. E i risultati sono pronti in pochi minuti.
Al momento, tuttavia, il sensore non è ancora pronto per misurare la concentrazione del virus corona nell’aria, ad esempio nella stazione ferroviaria principale di Zurigo. A tale scopo sono ancora necessari diversi passaggi di sviluppo, ad esempio un sistema che aspira l’aria, concentra gli aerosol in esso e rilascia l’RNA dai virus. «Sono necessari altri studi» afferma Wang. Ma una volta che il sensore è pronto, il principio potrebbe essere applicato ad altri virus e aiutare a rilevare e fermare le epidemie in una fase precoce.
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