Jing Wang et son équipe de l'Empa et de l'ETH Zurich travaillent habituellement à la mesure, l'analyse et la réduction des polluants atmosphériques tels que les aérosols et les nanoparticules produites artificiellement. Cependant, le défi auquel le monde entier est confronté actuellement modifie également les objectifs et les stratégies des laboratoires de recherche. Le nouveau centre d'intérêt : un capteur capable de détecter rapidement et de manière fiable le SRAS-CoV-2 - le nouveau coronavirus.

Mais l'idée ne diffère pas tant des précédents travaux de recherche du groupe : avant même que le COVID-19 ne commence à se répandre, d'abord en Chine puis dans le monde entier, Jing Wang et ses collègues étaient à la recherche de capteurs capables de détecter des bactéries et des virus dans l'air. Dès janvier, l'idée de nous appuyer sur cette base pour développer le capteur de manière à ce qu'il puisse identifier de manière fiable un virus spécifique est née. Le capteur ne remplacera pas nécessairement les tests de laboratoire établis, mais pourrait être utilisé comme une méthode alternative pour le diagnostic clinique, et plus particulièrement pour mesurer la concentration de virus dans l'air en temps réel : Par exemple, dans des endroits très fréquentés comme les gares ou les hôpitaux.

Des tests rapides et fiables pour le nouveau coronavirus sont nécessaires de toute urgence pour maîtriser la pandémie le plus rapidement possible. La plupart des laboratoires utilisent une méthode moléculaire appelée "reverse transcription poly-merase chain reaction", ou RT-PCR en abrégé, pour détecter les virus dans les infections respiratoires. Cette méthode est bien établie et permet de détecter des quantités de virus même infimes, mais elle peut aussi prendre beaucoup de temps et être sujette à des erreurs.

Un capteur optique pour les échantillons d'ARN

Jing Wang et son équipe ont développé une méthode de test alternative sous la forme d'un biocapteur optique. Le capteur combine 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 d'or, appelées nano-isols d'or, sur un substrat de verre. Des récepteurs d'ADN produits artificiellement, qui correspondent à des séquences d'ARN spécifiques du CoV-2 du SRAS, sont greffés sur les nanoparticules. Le coronavirus est un virus à ARN : Son génome n'est pas constitué d'un brin double d'ADN comme dans les organismes vivants, mais d'un seul brin d'ARN. Les récepteurs sur le capteur sont donc les séquences complémentaires des séquences d'ARN uniques du virus, qui peuvent identifier le virus de manière fiable.

La technologie utilisée par les chercheurs pour la détection est appelée LSPR, abréviation de "résonance des plasmons de surface localisée". Il s'agit d'un phénomène optique qui se produit dans les nanostructures métalliques : Lorsqu'elles sont excitées, elles modulent la lumière incidente dans une plage de longueur d'onde spécifique et créent un champ proche plasmonique autour de la nanostructure. Lorsque les molécules se lient à la surface, l'indice de réfraction local dans le champ proche plasmonique excité change. Un capteur optique situé à l'arrière du capteur peut être utilisé pour mesurer ce changement et ainsi déterminer si l'échantillon contient les brins d'ARN en question.

La chaleur augmente la fiabilité

Cependant, il est important que seuls les brins d'ARN qui correspondent exactement au récepteur d'ADN sur le capteur soient capturés. C'est là qu'un deuxième effet entre en jeu sur le capteur : 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 une chaleur localisée.

Et en quoi cela contribue-t-il à la fiabilité ? Comme nous l'avons déjà mentionné, le génome du virus n'est constitué que d'un seul brin d'ARN. Si ce brin trouve sa contrepartie complémentaire, les deux se combinent pour former un double brin - un processus appelé hybridation. La contrepartie - lorsqu'un double brin se divise en brins uniques - est appelée fusion ou dénaturation. Cela se produit à une certaine température, la température de fusion. Cependant, si la température ambiante est beaucoup plus basse que la température de fusion, des brins qui ne sont pas complémentaires entre eux peuvent également se connecter. Cela peut conduire à de faux résultats de tests. Si la température ambiante n'est que légèrement inférieure à la température de fusion, seuls des brins complémentaires peuvent se joindre. Et c'est exactement le résultat de l'augmentation de la température ambiante, qui est causée par l'effet du PPT.

Pour démontrer la fiabilité avec laquelle le nouveau capteur détecte le virus COVID-19 actuel, les chercheurs l'ont testé avec un virus très proche : SARS-CoV. Il s'agit du virus qui s'est déclaré en 2003 et qui a déclenché la pandémie de SRAS. Les deux virus - SRAS-CoV et SRAS-CoV2 - ne diffèrent que légèrement au niveau de leur ARN. Et la validation a été réussie : "Les tests ont montré que le capteur peut clairement distinguer les séquences d'ARN très similaires des deux virus", explique Jing Wang. Et les résultats sont prêts en quelques minutes.

Pour l'instant, cependant, le capteur n'est pas encore prêt à mesurer la concentration de virus corona dans l'air, par exemple dans la gare centrale de Zurich. Pour ce faire, un certain nombre d'étapes de développement sont encore nécessaires - par exemple, un système qui aspire l'air, y concentre les aérosols et libère l'ARN des virus. "Cela nécessite encore des travaux de développement", dit Jing Wang. Mais une fois que le capteur sera prêt, le principe pourrait être appliqué à d'autres virus et aider à détecter et à arrêter les épidémies à un stade précoce.

Un nouveau capteur pour le virus COVID-19