03:20 02 Giugno 2020
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Un team di ricercatori dalla Svizzera (Empa, ETH e Ospedale universitario di Zurigo) è riuscito a sviluppare un nuovo sensore che potrebbe riuscire a rilevare la presenza del virus SARS-CoV-2 direttamente nell’aria.

In futuro potrebbe essere utilizzato per misurare la concentrazione del virus nell'ambiente, ad esempio in luoghi in cui ci sono molte persone o nei sistemi di ventilazione degli ospedali, osservano i ricercatori.

Jing Wang e il suo team dell’Empa (Laboratorio federale svizzero per i materiali la scienza e la tecnologia) e dell’ETH (Scuola politecnica federale di Zurigo), che di solito lavorano per misurare, analizzare e ridurre gli inquinanti presenti nell'aria come aerosol e nanoparticelle prodotte artificialmente, hanno deciso di impegnare le proprie risorse al fine affrontare la nuova sfida imposta dal coronavirsu. Il nuovo obiettivo ora è quello di riuscire a creare un sensore capace di rilevare il SARS-CoV-2 in modo rapido e affidabile, direttamente nell’aria.

Sono urgentemente necessari test rapidi e affidabili per il nuovo coronavirus per tenere la pandemia sotto controllo il prima possibile. La maggior parte dei laboratori utilizza un metodo molecolare chiamato reazione a catena della polimerasi a trascrizione inversa, o RT-PCR in breve, per rilevare virus nelle infezioni respiratorie. Questo è ben consolidato e può rilevare anche minuscole quantità di virus, ma allo stesso tempo può richiedere molto tempo e essere soggetto ad errori.

Come funziona in termini tecnici

Jing Wang e il suo team hanno sviluppato un metodo di prova alternativo sotto forma di un biosensore ottico. Il sensore combina due diversi effetti per rilevare il virus in modo sicuro e affidabile: uno ottico e uno termico. Il sensore si basa su minuscole strutture d'oro, i cosiddetti nanoisland d'oro, installati su substrato di vetro. I recettori del DNA prodotti artificialmente che corrispondono a specifiche sequenze di RNA del SARS-CoV-2 sono innestati sulle nanoisland. Il coronavirus è un cosiddetto virus 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 risonanza plasmonica di superficie localizzata. Questo 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.

Tuttavia, è importante catturare solo 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). 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 filone trova la sua controparte complementare, i due si uniscono per formare un doppio filamento, un processo chiamato ibridazione. La controparte - 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 ambiente è molto più bassa della temperatura 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.

Come funziona in parole povere

C’è una copia finta del virus sul proiettore. L’ambiente e la copia vengono irradiate con la stessa fonte. Indipendentemente dall’ambiente e le condizioni circostanti, sia la copia che il virus devono emettere la stessa rifrazione in risposta all’irradiazione. Se nell’aria delle particelle rispondono rifrangendo lo stesso identico gradiente di calore che rifrange la copia finta che si trova sul proiettore, allora c’è presenza del virus.

Controprova

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, il SARS-CoV - il coronavirus che scoppiò nel 2003 e scatenò la pandemia della 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 possibilmente aspiri l'aria e la passi ad una sorta di scanner.

"Tutto questo ha ancora bisogno di lavori di sviluppo", afferma Wang. Ma una volta che hai creato il sensore, il principio può trovare innumerevoli applicazioni pratiche.
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