Überwachung und Genotypisierung von SARS-CoV-2 im Abwasser durch einen Cas12a-unterstützten tragbaren plasmonischen Biosensor

Infektionskrankheiten gefährden die öffentliche Gesundheit und die globale Biosicherheit erheblich. Neben der Übertragung über die Luft wurden pathogene Mikroorganismen auch in flüssigen Proben der Umwelt, beispielsweise im Abwasser, nachgewiesen. Die verschiedenen Methoden, die bei der klinischen Diagnose von Krankheitserregern eingesetzt werden, sind oft zeitaufwändig und kostenineffektiv, und ihre Nachweisgrenzen sind für die Verarbeitung von Umweltproben, die nur geringe Mengen an DNA/RNA von Mikroorganismen enthalten, nicht zufriedenstellend.

Um diese Schwierigkeiten anzugehen, demonstriert eine aktuelle Studie unter der Leitung von Prof. Han Zhang von der Universität Shenzhen die erste Anwendung der Faseroberflächenplasmonenresonanz (SPR)-Technologie zur Erkennung des SARS-CoV-2-Virus in Umweltproben. Diese Arbeit wurde gerade veröffentlicht in ForschungEinführung einer neuartigen SPR-basierten Point-of-Care-Teststrategie (POCT) für pathogene Mikroorganismen in Wasserproben.

In der aktuellen Studie stellten die Autoren eine ultrafeine plasmonische Fasersonde mit einem Durchmesser von 125 µm her. Um die Spezifität des plasmonischen Biosensors sicherzustellen, werden die viralen Genome automatisch angereichert und das Nukleokapsid (N)-Gen vor seiner Reaktion mit dem Clustered Regular Interspaced Short Palindromic Repeats (CRISPR)-Protein Cas12a amplifiziert.

Sobald das N-Gen erkannt wird, spaltet Cas12a einzelsträngige DNA, die auf der Faseroberfläche freiliegt, und setzt Goldnanopartikel (AuNPs) frei, die zuvor immobilisiert wurden, was zu einer starken Verringerung der charakteristischen SPR-Wellenlänge führt. Daher wandelt der Faser-SPR-Apparat vom CRISPR-Enzym erzeugte biologische Informationen in SPR-Signale um, die durch die Freisetzung von AuNPs weiter verstärkt werden.

Die vorgeschlagene Fasersonde ist virusspezifisch mit einer Nachweisgrenze von etwa 2.300 Kopien/ml, und die Kopienzahlen des Virusgenoms können als Wellenlängenverschiebungen wiedergegeben werden. Eine Reihe von Abwasserproben aus verschiedenen Quellen wurden mit Faser-SPR untersucht, und die vom Biosensor erhaltenen Daten stimmen mit denen der quantitativen Polymerasekettenreaktion (qPCR) und kolorimetrischen Tests überein. Die Omicron-Variante und ihre Mutationsstelle (L981F) wurden mithilfe des S-Gen-spezifischen Cas12a schnell nachgewiesen, was auf den erfolgreichen Nachweis einzelner Nukleotidmutationen schließen lässt.

Obwohl die WHO das Ende der COVID-19-Pandemie verkündet hat, sind die Überwachung und Verhinderung der Ausbreitung von Krankheitserregern weiterhin dringend erforderlich, um die biologische Sicherheit weltweit weiterhin aufrechtzuerhalten.

Durch einfache Substitutionen von crRNAs kann dieses Gerät zur Erkennung verschiedener Mikroorganismen in Umweltproben und zur Durchführung einer genauen Genotypisierung auf der Grundlage der DNA-Sequenzerkennung durch das CRISPR-Enzym eingesetzt werden. Dank der einfachen Montage und des minimalen Platzbedarfs kann der plasmonische Fasersensor neben Entwässerungsauslässen aufgestellt werden, um die Übertragung von Krankheitserregern in situ zu verfolgen.

Diese Arbeit bietet einen genauen und bequemen Ansatz für die Echtzeitüberwachung der mikrobiellen Kontamination im Abwasser.

Mehr Informationen:
Tianzhong Li et al., Frühe und empfindliche Erkennung von Krankheitserregern für die öffentliche Gesundheit und die biologische Sicherheit: Ein Beispiel für die Überwachung und Genotypisierung von SARS-CoV-2 in Abwasser durch einen Cas12a-unterstützten tragbaren plasmonischen Biosensor, Forschung (2023). DOI: 10.34133/research.0205

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