{"id":10169,"date":"2020-04-21T09:31:39","date_gmt":"2020-04-21T07:31:39","guid":{"rendered":"https:\/\/www.umweltperspektiven.ch\/?p=3016"},"modified":"2022-02-09T11:06:49","modified_gmt":"2022-02-09T10:06:49","slug":"empa-und-eth-zuerich-entwickeln-sensor-fuer-den-nachweis-des-covid-19-virus","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.organisator.ch\/de\/sustainability\/2020-04-21\/empa-und-eth-zuerich-entwickeln-sensor-fuer-den-nachweis-des-covid-19-virus\/","title":{"rendered":"Empa und ETH Z\u00fcrich entwickeln Sensor f\u00fcr den Nachweis des COVID-19-Virus"},"content":{"rendered":"
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Speziell an Verkehrsknotenpunkten k\u00f6nnte man die Konzentration von Covid-19 durch den neuentwickelten Biosensor aus der Schweiz nachweisen. (Bild: Unsplash)<\/figcaption><\/figure>\n

Gew\u00f6hnlich forscht Jing Wang an der Empa und an der ETH Z\u00fcrich mit seinem Team daran, Luftschadstoffe wie Aerosole und k\u00fcnstlich hergestellte Nanopartikel zu messen, zu analysieren und zu vermindern. Doch die aktuelle Herausforderung, vor denen zurzeit die ganze Welt steht, \u00e4ndert auch die Ziele und Strategien in den Forschungslabors. Der neue Fokus: ein Sensor, der SARS-CoV-2 \u2013 das neue Coronavirus \u2013 schnell und zuverl\u00e4ssig feststellen kann.<\/p>\n

Ganz so weit weg von der bisherigen Forschungsarbeit der Gruppe ist die Idee jedoch nicht: Bereits bevor sich das COVID-19-Virus begann, zun\u00e4chst in China und dann auf der ganzen Welt auszubreiten, forschten Wang und seine Mitarbeiter an Sensoren, die Bakterien und Viren in der Luft feststellen k\u00f6nnen. Bereits im Januar reifte daher die Idee, diese Grundlagen zu nutzen \u2013 und den Sensor so weiterzuentwickeln, dass er einen spezifischen Virus zuverl\u00e4ssig identifiziert. Der Sensor soll die etablierten Labortests nicht unbedingt ersetzen, sondern er k\u00f6nnte als alternative Methode f\u00fcr die klinische Diagnose genutzt werden. Und insbesondere, um die Virenkonzentration in der Luft in Echtzeit zu messen, etwa an stark frequentierten Orten wie Bahnh\u00f6fen oder in Spit\u00e4lern.<\/p>\n

Schnelle und zuverl\u00e4ssige Tests f\u00fcr COVID-19 sind dringend n\u00f6tig, um die Pandemie m\u00f6glichst bald unter Kontrolle zu bringen. Die meisten Labors verwenden eine molekulare Methode, die sich „Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction“ nennt, kurz RT-PCR, um Viren bei Infektionen der Atemorgane aufzusp\u00fcren. Diese ist etabliert und kann bereits winzige Mengen der Viren aufsp\u00fcren \u2013 doch gleichzeitig sind die Tests oft zeitraubend.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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Ein optischer Sensor f\u00fcr RNA-Proben<\/h5>\n
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Der Sensor nutzt einen optischen und einen thermischen Effekt, um das COVID-19-Virus sicher und zuverl\u00e4ssig nachzuweisen.<\/div>\n<\/div>\n<\/div>\n

Jing Wang hat mit seinem Team eine alternative Testmethode entwickelt, in der Form eines optischen Biosensors. Der Sensor verbindet dabei zwei verschiedene Effekte, um das Virus sicher und zuverl\u00e4ssig aufzusp\u00fcren: einen optischen und eine thermischen.<\/p>\n

Der Sensor basiert auf winzigen Strukturen aus Gold, sogenannte Gold-Nanoinseln, auf einem Glassubstrat. Auf den Nanoinseln werden k\u00fcnstlich hergestellte DNA-Sequenzen aufgebracht, die zu bestimmten RNA-Sequenzen des SARS-CoV-2-Virus passen. Das neue Coronavirus ist ein sogenanntes RNA-Virus: Sein Genom besteht, nicht wie etwa bei Menschen, Tieren und Pflanzen, aus DNA-Doppelstr\u00e4ngen, sondern aus einem einzelnen RNA-Strang. Die k\u00fcnstlichen DNA-Rezeptoren auf dem Sensor sind also die Komplement\u00e4rsequenzen zu den eindeutigen RNA-Genomsequenzen des Virus, die diesen eindeutig identifizieren k\u00f6nnen.<\/p>\n

Die Technologie, die die Forscher zur Virus-Detektion einsetzen, nennt sich LSPR („localized surface plasmon resonance“). Dabei handelt es sich um ein optisches Ph\u00e4nomen, das bei metallischen Nanostrukturen auftritt: Diese modulieren im angeregten Zustand das einfallende Licht in einem bestimmten Wellenl\u00e4ngenbereich und erzeugen ein sogenanntes plasmonisches Nahfeld um die Nanostruktur. Wenn an der Oberfl\u00e4che Molek\u00fcle andocken, dann \u00e4ndert sich genau an dieser Stelle der optische Brechungsindex in diesem plasmonischen Nahfeld. Mit einem optischen Sensor, der sich auf der Hinterseite des Sensors befindet, l\u00e4sst sich dies messen und somit feststellen, ob sich in der Probe die gesuchten RNA-Str\u00e4nge befinden.<\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n

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W\u00e4rme erh\u00f6ht Zuverl\u00e4ssigkeit<\/h5>\n
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Zentral ist dabei aber nat\u00fcrlich, dass nur diejenigen RNA-Str\u00e4nge vom DNA-Rezeptor auf dem Sensor eingefangen werden, die exakt darauf passen. Hier kommt ein zweiter Effekt ins Spiel: der plasmonische photothermale Effekt (PPT). Wird dieselbe Nanostruktur auf dem Sensor mit einem Laser einer bestimmten Wellenl\u00e4nge angeregt, so produziert diese W\u00e4rme.<\/p>\n

Und wie hilft das nun der Zuverl\u00e4ssigkeit? Wie bereits erw\u00e4hnt, besteht das Erbgut des Virus nur aus einem einzelnen RNA-Strang. Findet dieser Strang sein komplement\u00e4res Gegenst\u00fcck, so verbinden sich die beiden zu einem Doppelstrang \u2013 ein Vorgang, der sich Hybridisierung nennt. Das Gegenteil \u2013 wenn sich also ein Doppelstrang in Einzelstr\u00e4nge aufspaltet \u2013 nennt sich Schmelzung oder Denaturierung. Dies geschieht bei einer bestimmten Temperatur, der Schmelztemperatur. Wenn die Umgebungstemperatur nun aber viel tiefer ist als die Schmelztemperatur, k\u00f6nnen sich auch Str\u00e4nge verbinden, die nicht zu 100% komplement\u00e4r zueinander sind. Das kann zu falschen Testresultaten f\u00fchren. Ist die Umgebungstemperatur hingegen nur leicht tiefer als die Schmelztemperatur, k\u00f6nnen sich nur noch komplement\u00e4re Str\u00e4nge zusammenf\u00fcgen. Und genau dies ist das Resultat der erh\u00f6hten Umgebungstemperatur, die durch den PPT-Effekt verursacht wird.<\/p>\n

Um aufzuzeigen, wie zuverl\u00e4ssig der neue Sensor den aktuellen COVID-19-Virus feststellt, testeten ihn die Forschenden mit einem sehr nah verwandten Virus: SARS-CoV. Dabei handelt es sich um das Virus, das 2003 die SARS-Pandemie ausl\u00f6ste. Die beiden Viren \u2013 SARS-CoV und SARS-CoV2 \u2013 unterscheiden sich in ihrer RNA nur geringf\u00fcgig, eine eindeutige Unterscheidung ist also \u00e4usserst schwierig. Doch das Experiment gelang: „Unsere Tests zeigten, dass der Sensor klar zwischen den sehr \u00e4hnlichen RNA-Sequenzen der beiden Viren unterscheiden kann“, erkl\u00e4rt Jing Wang.<\/p>\n

Im Moment ist der Sensor zwar noch nicht bereit, um beispielsweise im Hauptbahnhof Z\u00fcrich die Coronaviren-Konzentration in der Luft zu messen. Dazu sind noch einige Schritte n\u00f6tig \u2013 etwa ein System, der die Luft ansaugt, die Aerosole darin konzentriert und die RNA aus den Viren isoliert. „Das braucht noch Entwicklungsarbeit“, sagt Wang. Doch ist der Sensor erst einmal fertiggestellt, k\u00f6nnte sich das Prinzip auch auf andere Viren anwenden lassen \u2013 und dazu beitragen, dass k\u00fcnftige Epidemien fr\u00fchzeitig detektiert und vielleicht sogar gestoppt werden k\u00f6nnen. (Quelle: Empa<\/a>)<\/p>\n<\/div>\n

Literatur:<\/div>\n
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G Qiu,\u00a0Z Gai,\u00a0Y Tao,\u00a0J Schmitt,\u00a0G A Kullak-Ublick, J\u00a0Wang;\u00a0<\/strong><\/span>Dual-Functional Plasmonic Photothermal Biosensors for Highly Accurate Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Detection; ACS Nano 2020,\u00a0<\/span>doi.org\/10.1021\/acsnano.0c02439<\/a><\/em><\/p>\n<\/div>\n<\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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