Le sfide poste dalla pandemia di COVID-19 hanno stimolato l’innovazione su più fronti. Il primo è lo sviluppo di metodi di diagnosi clinica a basso costo. I genosensori ne sono un esempio. Basati su acidi nucleici che rilevano sequenze di DNA o semplici RNA complementari, i sensori genetici sono biosensori che rendono possibili test universali per test immediati e sensibili del materiale genetico.
Un dispositivo di questo tipo, che si è già dimostrato efficace nel rilevare SARS-CoV-2, è stato appena prodotto in Brasile da un team multidisciplinare di ricercatori affiliati a diverse istituzioni e guidati da un fisico Osvaldo Novaes de Oliveira JrÈ professore presso l’Istituto di Fisica di São Carlos presso l’Università di São Paulo (IFSC-USP).
Il risultato dell’analisi può essere pronto in 30 minuti, a un costo su scala di laboratorio inferiore a 1 dollaro USA per sensore genetico. I componenti dell’analizzatore di impedenza, una parte permanente del dispositivo, costano meno di 200 dollari. Il dispositivo è già su scala di laboratorio e la tecnologia può essere trasferita a qualsiasi azienda che abbia i mezzi per produrlo in serie.
“Il nostro sensore genico può immobilizzare un semplice filamento di DNA utilizzato come sonda di cattura. Nelle giuste condizioni, il filamento fisso si lega al filamento complementare di DNA presente nel campione liquido da analizzare. Questo processo, chiamato ibridazione, dimostra la presenza di SARS-CoV-2 nel campione, che può essere saliva o altri fluidi corporei”, ha affermato la chimica Juliana Quatrini Soares.
Soares è il primo autore di un articolo che descrive la ricerca e pubblicato Dentro la chimica dei materiali.
Come funziona
Il dispositivo è costituito da un monostrato autoassemblato di acido 11-mercaptoundecanoico (11-MUA) legato chimicamente ad elettrodi di vetro contenenti filamenti d’oro micrometrici o superfici contenenti nanoparticelle d’oro. Questo ambiente è in grado di immobilizzare il semplice filamento di DNA o RNA utilizzato come sonda di cattura. L’ibridazione con la banda complementare, se presente nel campione, è mostrata da differenze nei parametri fisici rivelati dalla spettroscopia di impedenza elettrochimica e dalla risonanza localizzata superficiale.
“Dopo l’ibridazione, c’è un aumento della resistenza elettrica sulla superficie del sensore, che può essere monitorata da un analizzatore di resistenza a basso costo che costa circa 100 dollari ed è stato sviluppato nel nostro laboratorio da un ingegnere. Lorenzo Buscaglia, membro del gruppo. Un altro effetto dell’ibridazione tra la sequenza di cattura e la sequenza complementare SARS-CoV-2 è lo spostamento del picco di assorbimento nello spettro trasmesso, che può essere monitorato mediante risonanza plasmonica di superficie localizzata con uno spettrofotometro”, ha affermato il chimico. Paulo Augusto Raimundo Pereira, un ricercatore IFSC-USP ha partecipato alla ricerca.
La massima sensibilità raggiunta nello studio corrisponde a 0,3 copie per microlitro, sufficienti per rilevare sequenze di DNA nella saliva o in altri fluidi corporei. Le sequenze complementari SARS-CoV-2 sono state diagnosticate anche mediante tecniche di apprendimento automatico applicate per scansionare immagini di microscopia elettronica ottenute da sensori di geni esposti a varie concentrazioni di sequenze di DNA complementari.
“Applicando algoritmi di apprendimento automatico all’elaborazione delle immagini, siamo stati in grado di ottenere un alto grado di accuratezza nella discriminazione tra diverse concentrazioni di sequenze di DNA complementari SARS-CoV-2”, ha affermato Raymundo-Pereira.
Negli esperimenti di rilevamento, la sensibilità dei sensori genetici è stata verificata nei campioni di controllo, comprese le sequenze negative per SARS-CoV-2 e altri biomarcatori del DNA non correlati al virus. L’analisi dei dati ottenuti attraverso una tecnica di proiezione multidimensionale chiamata Interactive Document Mapping (IDMAP) ha mostrato una netta separazione tra sequenze di DNA complementari a diverse concentrazioni e campioni contenenti sequenze non complementari o altri biomarcatori di DNA non correlati a SARS-CoV-2.
“Il vantaggio di utilizzare diverse metodologie di rilevamento è la modalità operativa versatile in modo che il metodo diagnostico possa essere implementato in base alle realtà di ciascun paese o in diverse regioni di paesi delle dimensioni di un continente come il Brasile. Anche il nostro sensore genetico è promettente come rivelatore di materiale genetico da nuove varianti di SARS-CoV -2. Per fare ciò, se la sequenza genetica della variante è nota, puoi semplicemente scambiare il semplice filamento di DNA utilizzato come sonda di cattura “, ha spiegato Oliveira Jr.
Il team interdisciplinare che ha sviluppato il dispositivo comprendeva ricercatori dell’Istituto di Fisica di São Carlos presso l’Università di San Paolo (IFSC-USP), dell’Istituto di Chimica di São Carlos (IQSC-USP), dell’Istituto di scienze matematiche e informatiche (ICMC- USP), e l’Unità di Strumentazione della Corporazione Brasiliana di Ricerca Agricola (EMBRAPA), e l’Istituto di Ricerca Pele Pequeno Principe a Curitiba, nello Stato del Paraná.
Lo studio è stato sostenuto dalla São Paulo Research Foundation – FAPESP attraverso dieci progetti: 16 / 01919-6e 19/13514-9e 18/18953-8e 19/00101-8e 20 / 02938-0e 16/23763-8e 19 / 07811-0e 18/19750-3e 14/50867-3, E 18 / 22214-6.
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