L'Empa et l'ETH Zurich développent un capteur pour la détection du virus COVID-19

Une équipe de chercheurs de l'Empa, de l'ETH Zurich et de l'Hôpital universitaire de Zurich a réussi à développer un nouveau type de capteur pour détecter le nouveau coronavirus. Il pourrait être utilisé à l'avenir pour déterminer la concentration de virus dans l'environnement - par exemple dans les lieux fréquentés par de nombreuses personnes ou dans les systèmes de ventilation des hôpitaux.

La concentration de Covid-19 pourrait être détectée par le biocapteur nouvellement développé en Suisse, en particulier dans les nœuds routiers. (Image : Unsplash)

Habituellement, Jing Wang et son équipe de l'Empa et de l'ETH Zurich mènent des recherches pour mesurer, analyser et réduire les polluants atmosphériques tels que les aérosols et les nanoparticules artificielles. Mais le défi actuel auquel le monde entier est actuellement confronté modifie également les objectifs et les stratégies dans les laboratoires de recherche. Le nouveau point de mire : un capteur capable de détecter rapidement et de manière fiable le SRAS-CoV-2 - le nouveau coronavirus.

L'idée n'est toutefois pas si éloignée des travaux de recherche menés jusqu'à présent par le groupe : avant même que le virus COVID-19 ne commence à se propager, d'abord en Chine puis dans le monde entier, Wang et ses collaborateurs ont mené des recherches sur des capteurs capables de détecter les bactéries et les virus dans l'air. Dès le mois de janvier, l'idée a donc mûri d'utiliser ces bases - et de développer le capteur de manière à ce qu'il identifie de manière fiable un virus spécifique. Le capteur ne doit pas nécessairement remplacer les tests de laboratoire établis, mais il pourrait être utilisé comme méthode alternative pour le diagnostic clinique. Et notamment pour mesurer en temps réel la concentration de virus dans l'air, par exemple dans des lieux très fréquentés comme les gares ou les hôpitaux.

Des tests rapides et fiables pour le COVID-19 sont nécessaires de toute urgence afin de maîtriser la pandémie le plus rapidement possible. La plupart des laboratoires utilisent une méthode moléculaire appelée "Reverse Transcription Polymerase Chain Reaction", ou RT-PCR, pour détecter les virus dans les infections respiratoires. Cette méthode est bien établie et permet de détecter des quantités infimes de virus - mais en même temps, les tests prennent souvent beaucoup de temps.

Un capteur optique pour les échantillons d'ARN
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Le capteur utilise un effet optique et un effet thermique pour détecter le virus COVID-19 de manière sûre et fiable.

Jing Wang et son équipe ont développé une méthode de test alternative, sous la forme d'un biocapteur optique. Le capteur combine ainsi deux effets différents pour détecter le virus de manière sûre et fiable : un effet optique et un effet thermique.

Le capteur est basé sur de minuscules structures en or, appelées nanoîlots d'or, sur un substrat de verre. Des séquences d'ADN fabriquées artificiellement et correspondant à certaines séquences d'ARN du virus du SRAS-CoV-2 sont appliquées sur les nanoîlots. Le nouveau coronavirus est ce qu'on appelle un virus à ARN : son génome n'est pas constitué de doubles brins d'ADN comme chez les humains, les animaux et les plantes, mais d'un seul brin d'ARN. Les récepteurs d'ADN artificiels sur le capteur sont donc les séquences complémentaires des séquences génomiques d'ARN uniques du virus, qui permettent de l'identifier sans équivoque.

La technologie utilisée par les chercheurs pour la détection de virus s'appelle LSPR ("localized surface plasmon resonance"). Il s'agit d'un phénomène optique qui se produit dans les nanostructures métalliques : celles-ci, lorsqu'elles sont excitées, modulent la lumière incidente dans une certaine gamme de longueurs d'onde et génèrent ce que l'on appelle un champ plasmonique proche autour de la nanostructure. Lorsque des molécules se fixent à la surface, l'indice de réfraction optique change précisément à cet endroit dans ce champ plasmonique proche. Un capteur optique situé à l'arrière du capteur permet de mesurer ce phénomène et de déterminer ainsi si les brins d'ARN recherchés se trouvent dans l'échantillon.

La chaleur augmente la fiabilité

Mais il est bien sûr essentiel que seuls les brins d'ARN qui correspondent exactement au récepteur d'ADN sur le capteur soient capturés. C'est là qu'intervient un deuxième effet : l'effet photothermique plasmonique (PPT). Si la même nanostructure sur le capteur est excitée par un laser d'une certaine longueur d'onde, elle produit de la chaleur.

Et comment cela aide-t-il à la fiabilité ? Comme nous l'avons déjà mentionné, le patrimoine génétique du virus est constitué d'un seul brin d'ARN. Si ce brin trouve sa contrepartie complémentaire, les deux se lient pour former un double brin - un processus appelé hybridation. L'inverse - lorsqu'un double brin se divise en simples brins - s'appelle la fusion ou la dénaturation. Cela se produit à une certaine température, la température de fusion. Mais si la température ambiante est beaucoup plus basse que la température de fusion, des brins qui ne sont pas complémentaires à 100% peuvent également se lier. Cela peut conduire à des résultats de test erronés. En revanche, si la température ambiante n'est que légèrement inférieure à la température de fusion, seuls les brins complémentaires peuvent s'assembler. Et c'est précisément le résultat de l'augmentation de la température ambiante causée par l'effet PPT.

Afin de démontrer la fiabilité du nouveau capteur pour détecter le virus COVID-19 actuel, les chercheurs l'ont testé avec un virus très proche : le SARS-CoV. Il s'agit du virus qui a déclenché la pandémie de SRAS en 2003. Les deux virus - SARS-CoV et SARS-CoV2 - ne se distinguent que très peu au niveau de leur ARN, une distinction claire est donc extrêmement difficile. Mais l'expérience a réussi : "Nos tests ont montré que le capteur peut clairement faire la différence entre les séquences d'ARN très similaires des deux virus", explique Jing Wang.

Pour l'instant, le capteur n'est certes pas encore prêt à mesurer la concentration de coronavirus dans l'air, par exemple dans la gare centrale de Zurich. Pour cela, plusieurs étapes sont encore nécessaires - par exemple un système qui aspire l'air, y concentre les aérosols et isole l'ARN des virus. "Cela nécessite encore du travail de développement", explique Wang. Mais une fois que le capteur sera au point, le principe pourrait être appliqué à d'autres virus - et contribuer à ce que de futures épidémies puissent être détectées à temps et peut-être même stoppées. (Source : Empa)

Littérature :

G Qiu, Z Gai, Y Tao, J Schmitt, G A Kullak-Ublick, J WangBiocapteurs plasmoniques photothermiques à double fonction pour la détection hautement précise du coronavirus 2 du syndrome respiratoire aigu sévère ; ACS Nano 2020, doi.org/10.1021/acsnano.0c02439

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