Wissenschaftler haben gezeigt, dass sie SARS-CoV-2, das Virus, das COVID-19 verursacht, in der Luft nachweisen können, indem sie eine mit Nanotechnologie gefüllte Blase verwenden, die ihren chemischen Inhalt wie eine zerbrochene Piñata verschüttet, wenn sie auf das Virus trifft.
Ein solcher Detektor könnte an einer Wand oder Decke oder in einem Luftkanal positioniert werden, wo eine ständige Luftbewegung herrscht, um die Bewohner sofort zu warnen, wenn auch nur eine Spur des Virus vorhanden ist.
Das Herzstück der Nanotechnologie ist eine Mizelle, eine molekulare Struktur aus Ölen, Fetten und manchmal Wasser mit einem Innenraum, der mit Luft oder einer anderen Substanz gefüllt werden kann. Mizellen werden häufig verwendet, um Krebsmedikamente im Körper abzugeben, und sind ein Grundnahrungsmittel in Seifen und Waschmitteln. Fast jeder ist schon einmal auf eine Mizelle in Form von Seifenblasen gestoßen.
Ein Team von Wissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory des Energieministeriums hat eine neue Art von Mizelle entwickelt, die auf der Oberfläche mit Kopien eines geprägten Partikels für SARS-CoV-2 gestempelt ist.
Bildnachweis: Sara Levine / Pacific Northwest National Laboratory
Das Team füllte Mizellen mit einem Salz, das in der Lage ist, ein elektronisches Signal zu erzeugen, das aber inaktiv ist, wenn es in eine Mizelle gepackt wird. Wenn ein Viruspartikel mit einem der aufgedruckten Rezeptoren auf der Oberfläche interagiert, springt die Mizelle auf, verschüttet das Salz und sendet sofort ein elektronisches Signal aus.
Das System wirkt wie ein Signalverstärker und übersetzt das Vorhandensein eines Viruspartikels in 10 Milliarden Moleküle, die zusammen ein nachweisbares Signal erzeugen. Die Entwickler sagen, dass der Detektor Vorteile gegenüber heutigen Technologien hat; es erzeugt schneller ein Signal, erfordert eine viel geringere Menge an Viruspartikeln oder erzeugt weniger Fehler.
Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 25. Oktober online MRS-Kommunikation.
„Es besteht ein Bedarf für diese Art von kostengünstigem Nachweissystem“, sagte der PNNL-Wissenschaftler Lance Hubbard, ein Nanotechnologie-Spezialist und Autor der Abhandlung. „Vielleicht könnte es in Schulen oder in Krankenhäusern oder Notaufnahmen implementiert werden, bevor die Patienten vollständig untersucht wurden – überall dort, wo Sie sofort wissen müssen, dass das Virus vorhanden ist.“
Die Mizellentechnologie von PNNL ist das Produkt einer mühsamen Kette von 279 separaten chemischen Schritten, die vom Erstautor Samuel Morrison zusammen mit Hubbard und anderen PNNL-Wissenschaftlern entwickelt wurde.
Wenn speziell präparierte Mizellen (pfeffergroße Partikel links) mit einem molekularen Analogon des Covid-verursachenden Virus (rechts) interagieren, explodieren die Mizellen und stoßen ihren Inhalt mit einer Geschwindigkeit von 200 Meilen pro Stunde aus. Die dabei entstehende gelblich-braune Wolke ist Teil eines elektronischen Signals, dass das Virus vorhanden ist. Bildnachweis: Caleb Allen / Pacific Northwest National Laboratory
COVID-Erkennung: Einer von Milliarden
Das Team schätzt, dass die Technologie ein virales Partikel aus Milliarden anderer Partikel herauszupfen kann. Der Detektor ist so empfindlich, dass das Team Schwierigkeiten hatte, die untere Grenze zu identifizieren. Das Team verwendete in seinen Tests sowohl inaktivierte SARS-CoV-2-Viruspartikel als auch das Spike-Protein des Virus.
Während die Technologie den Virus innerhalb einer Millisekunde erkennt, benötigt das Gerät eine zusätzliche Minute, um eine Qualitätskontrollsoftware auszuführen, um das Signal zu bestätigen und Fehlalarme zu verhindern.
Mizellen können empfindlich sein, wie eine Seifenblase aus dem Zauberstab eines Kindes. Aber unter bestimmten Umständen können Wissenschaftler widerstandsfähigere Mizellen herstellen, die ihren Inhalt genau zum richtigen Zeitpunkt und am richtigen Ort verschütten – zum Beispiel diese Mizellen, die aufplatzen, wenn ein Viruspartikel entdeckt wird.
Die PNNL-Micelle ist zweischichtig, wobei sich eine polymerbeschichtete Mizelle in der anderen befindet und die gesamte Struktur in Wasser eingetaucht ist. Jede Mizelle ist etwa 5 Mikron breit. Auf der äußeren Oberfläche befinden sich mehrere eingeprägte Partikel aus Siliziumdioxid mit einer Breite von etwa 500 Nanometern. Jeder Abdruck ist eine Gelegenheit für ein COVID-verursachendes Viruspartikel, sich zu binden, wodurch die Doppelschicht-Micelle aufspringt.
„Die Kombination von Mizellen mit einer Technologie, um sie zu prägen oder zu stempeln, ist etwas, was viele Menschen zuvor nicht getan haben“, sagte Hubbard. „Das Prägen eines Moleküls mit unserem interessierenden Molekül fügt eine Schwachstelle in die Mizelle ein – was wir in diesem Fall wollen.“
Morrison, ein ehemaliger Marine, begann diese Arbeit in der Hoffnung, eine neue Methode zu entwickeln, um Soldaten dabei zu helfen, Sprengstoffe im Kampf schnell zu erkennen. Er verband sich mit Hubbard, einem Experten für Nanosynthese. Als die Pandemie ausbrach, verlagerten sie den Fokus des Projekts auf SARS-CoV-2. Weitere Einsatzmöglichkeiten der Technologie sind der Nachweis von Fentanyl und Umweltgiften.
Lance R. Hubbard et al, Nachweis von SARS-COV-2 durch funktionell geprägte Mizellen, MRS-Kommunikation (2022). DOI: 10.1557/s43579-022-00242-0