Fast die ganze Welt lebt auf Grund der Corona-Pandemie seit Wochen, oder wie in Italien seit Monaten, auf Distanz. Social Distancing ist das Buzz-Wort der Zeit. Trotzdem gibt es jeden Tag Tausende Menschen, die sich neu mit dem Coronavirus infizieren. Könnte sich das Virus also doch über die Luft übertragen? Obwohl das bisher laut Aussagen renommierter Virologen als ziemlich unwahrscheinlich galt. Stecken wir uns vielleicht doch im Supermarkt beim Einkaufen an? Auch wenn alle den geforderten Abstand einhalten? Eine Antwort auf diese Frage könnte ein neuer Sensor aus der Schweiz liefern.
Corona-Pandemie durch Luftübertragung?
Einem Forscherteam der Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology (Empa), der ETH Zürich und des Universitätsspitals Zürich ist es nämlich gelungen, einen neuartigen Sensor zum Nachweis des neuen Coronavirus in der Luft zu entwickeln. Mit ihm könnte in Zukunft die Virenkonzentration in der Umwelt gemessen werden. Beispielsweise an Orten mit vielen Menschen oder in Belüftungssystemen von Krankenhäusern.
Jing Wang und sein Team der Empa und ETH Zürich beschäftigen sich normalerweise mit anderen Themen. Sie messen und analysieren Luftschadstoffe wie Aerosole und künstlich hergestellte Nanopartikel. Ihr neuer Schwerpunkt aber ist nun ein Sensor. Er kann SARS-CoV-2, das neue Coronavirus, schnell und zuverlässig nachweisen.
Das Team arbeitet bereits seit Januar 2020, seit sich das COVID-19 in China auszubreiten begann, an der Weiterentwicklung von Sensoren. Um mit ihnen Bakterien und Viren in der Luft nachweisen können. So soll das Corona-Virus zuverlässig identifiziert werden. Der Sensor ersetzt zwar nicht unbedingt etablierte Labortests. Er könnte aber nicht nur als alternative Methode für die klinische Diagnose, sondern vor allem zur Messung der Viruskonzentration in der Luft in Echtzeit eingesetzt werden. Zum Beispiel an stark frequentierten Orten wie Bahnhöfen oder Krankenhäusern.
Optischer Sensor für RNA-Proben
Der Test funktioniert, indem er zwei verschiedene Effekte kombiniert, um das Virus sicher und zuverlässig nachzuweisen: einen optischen und einen thermischen. Der Sensor basiere auf winzigen Strukturen aus Gold, so genannten Gold-Nanoinseln, auf einem Glassubstrat, erklären die Wissenschaftler. „Auf die Nanoinseln werden künstlich hergestellte DNA-Rezeptoren aufgepfropft, die mit spezifischen RNA-Sequenzen des SARS-CoV-2-Virus übereinstimmen.“
Das Genom des Coronavirus besteht aus einem einzigen RNA-Strang. Bei lebenden Organismen besteht es aus einem DNA-Doppelstrang. Die Rezeptoren auf dem Sensor seien daher die komplementären Sequenzen zu den einzigartigen RNA-Sequenzen des Virus. Sie können das Virus zuverlässig identifizieren. Die Technologie zur Identifikation des Virus nennt sich LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance), ein optisches Phänomen, das in metallischen Nanostrukturen auftritt.
Wenn die Nanostrukturen angeregt werden, modulieren sie das einfallende Licht in einem bestimmten Wellenlängenbereich und erzeugen ein plasmonisches Nahfeld um die Nanostruktur. „Wenn sich Moleküle an die Oberfläche binden, ändert sich der lokale Brechungsindex innerhalb des angeregten plasmonischen Nahfeldes“, erklären die Forscher. „Mit einem optischen Sensor, der sich auf der Rückseite des Sensors befindet, kann diese Änderung gemessen und so festgestellt werden, ob die Probe die betreffenden RNA-Stränge enthält.“
Erste Tests erfolgreich
Erste Versuche mit dem SARS-CoV Virus, das 2003 die SARS-Pandemie auslöste, waren erfolgreich. „Tests zeigten, dass der Sensor die sehr ähnlichen RNA-Sequenzen der beiden Viren klar unterscheiden kann”, erklärt Jing Wang. Und die beiden Viren – SARS-CoV und SARS-CoV2 – unterscheiden sich in ihrer RNA nur geringfügig. Und das Beste am neuen Sensor: Die Ergebnisse sind in wenigen Minuten fertig.
Aktuell sei der Sensor aber noch nicht bereit, die Konzentration der Coronaviren in der Luft, zum Beispiel im Hauptbahnhof Zürich, zu messen, sagt Wang. Dazu seien noch einige Entwicklungsschritte nötig. Zum Beispiel ein System, das die Luft ansaugt, die Aerosole in ihr konzentriert und die RNA aus den Viren freisetzt. Sobald der Sensor bereit sei, könnte das Prinzip nicht nur für SARS-COV2 eingesetzt und die aktuelle Corona-Pandemie vielleicht gestoppt werden, sondern auch auf andere Viren übertragen werden und dazu beitragen, Epidemien frühzeitig zu erkennen und aufzuhalten.