Coronaviren mit neuem Test schnell und zuverlässig identifizieren

Effektiver Coronatest in Aussicht?

In der Corona-Krise benötigen wir dringend effektive Möglichkeiten, um uns zu schützen und eine mögliche Erkrankung frühzeitig festzustellen. Jetzt wurde ein neuer Sensor entwickelt, der einen Nachweis von Coronaviren besonders schnell ermöglicht.

Durch die Zusammenarbeit der Empa, der ETH Zürich und des Universitätsspitals Zürich wurde ein Sensor entwickelt, der Coronaviren zuverlässig nachweisen kann. Die Ergebnisse der Studie wurden in der englischsprachigen Fachzeitschrift „ACS Nano“ veröffentlicht.

Sensor zum Nachweis von SARS-CoV-2?

Die an der Entwicklung beteiligten Forschenden arbeiten in der Regel an der Messung, Analyse und Reduktion von Luftschadstoffen wie Aerosolen und künstlich hergestellten Nanopartikeln. Doch die derzeitige Coronakrise führte dazu, dass sich die Ziele der Forschungseinrichtung verändert haben. Das Team versuchte einen Sensor zu entwickeln, der SARS-CoV-2 schnell und zuverlässig nachweisen kann.

Bestehender Sensor wurde weiterentwickelt

Noch bevor sich COVID-19 auszubreiten begann, forschte die Untersuchungsgruppe bereits an Sensoren, die Bakterien und Viren in der Luft nachweisen können. Im Januar kam die Forschungsgruppe dann auf die Idee, auf dieser Grundlage den Sensor dahingehend weiterzuentwickeln, dass er ein bestimmtes Virus zuverlässig identifizieren kann.

Probleme mit bestehenden Testmethoden

Schnelle und zuverlässige Tests sind in der heutigen Zeit dringend erforderlich, um die Pandemie so rasch wie möglich unter Kontrolle zu bringen. Die meisten Laboratorien verwenden eine molekulare Methode, um Viren bei Atemwegsinfektionen nachzuweisen. Diese ist in der Lage auch kleinste Mengen von Viren nachzuweisen. Es gibt allerdings das Problem, dass die Methode zeitaufwändig und fehleranfällig sein kann.

Optischer Biosensor als Alternative?

Bei der aktuellen Forschungsarbeit wurde jetzt eine alternative Testmethode in Form eines optischen Biosensors entwickelt. Dieser Sensor kombiniert zwei verschiedene Effekte, wodurch er das Virus sicherer und zuverlässiger nachweisen kann. Dabei handelt es sich um einen optischen und einen thermischen Effekt.

Wie ist das Coronavirus aufgebaut?

Der Test verwendet Nanoinseln aus Gold und künstlich hergestellte DNA-Rezeptoren, welche mit spezifischen RNA-Sequenzen des SARS-CoV-2-Virus übereinstimmen. Bei dem Coronavirus handelt es sich um ein RNA-Virus. Dieses zeichnet sich dadurch aus, dass sein Genom nicht wie bei lebenden Organismen aus einem DNA-Doppelstrang besteht. Es besteht aus einem einzigen RNA-Strang. Die künstlichen DNA-Rezeptoren auf dem Sensor sind also die Komplementärsequenzen zu den eindeutigen RNA-Genomsequenzen des Virus, welche diesen eindeutig identifizieren können, berichten die Forschenden.

Wie funktioniert der Test?

Bei der zum Nachweis verwendeten Technologie handelt es sich um ein optisches Phänomen, welches häufig in metallischen Nanostrukturen auftritt. Werden diese angeregt, modulieren sie einfallendes Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich und erzeugen so ein sogenanntes plasmonisches Nahfeld um die Nanostruktur.

Optischer Sensor maß auftretende Veränderungen

Wenn sich Moleküle an die Oberfläche binden, ändert sich der lokale Brechungsindex innerhalb des Nahfeldes. Mit einem optischen Sensor, kann eine solche Änderung dann gemessen und schließlich festgestellt werden, ob die Probe die betreffenden RNA-Stränge enthält.

Welche Rolle spielte Wärme bei dem Test?

Bei dem Vorgang ist es sehr wichtig, dass nur diejenigen RNA-Stränge erfasst werden, die genau mit dem DNA-Rezeptor auf dem Sensor übereinstimmen. Hier hilft ein zweiter Effekt, der als plasmonischer photothermischer (PPT) Effekt bezeichnet wird. Wird die gleiche Nanostruktur auf dem Sensor mit einem Laser in einer bestimmten Wellenlänge angeregt, erzeugt er lokalisierte Wärme.

Was ist Hybridisierung?

Das Genom des Virus besteht nur aus einem einzigen RNA-Strang. Wenn dieser Strang sein komplementäres Gegenstück findet, verbinden sich beide zu einem Doppelstrang. Dieser Vorgang wird als Hybridisierung bezeichnet.

Möglichkeit für falsche Testergebnisse?

Wenn sich ein Doppelstrang in Einzelstränge aufspaltet, wird dies als Denaturierung bezeichnet. Dies geschieht bei der sogenannten Schmelztemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur jedoch viel niedriger als die Schmelztemperatur ist, können sich auch Stränge verbinden, die nicht komplementär zueinander sind, was zu falschen Testergebnissen führen kann, berichten die Forschenden.

Vorteile durch PPT-Effekt verursachte Umgebungstemperatur

Liegt die Umgebungstemperatur nur geringfügig unter der Schmelztemperatur, können sich nur komplementäre Stränge verbinden. Genau dies ist die Folge der erhöhten Umgebungstemperatur, welche durch den PPT-Effekt verursacht wird.

Sensor kann klar zwischen RNA-Sequenzen unterscheiden

Um herauszufinden, wie zuverlässig der neue Sensor das aktuelle SARS-CoV-2-Virus feststellt, wurde das Gerät an einem sehr eng verwandten Virus getestet. Dabei handelte es sich um SARS-CoV (SARS-1), jenes Virus, welches im Jahr 2003 ausbrach und damals die SARS-Pandemie auslöste. Die beiden Viren unterscheiden sich nur sehr geringfügig in ihrer RNA. „Unsere Tests zeigten, dass der Sensor klar zwischen den sehr ähnlichen RNA-Sequenzen der beiden Viren unterscheiden kann“, berichtet Studienautor Jing Wang in einer Pressemitteilung. Außerdem benötigte der Test nicht lange, um zu Ergebnissen zu gelangen. (as)