Sensor basado en física cuántica podría detectar el virus SARS-CoV-2 incluyendo las nuevas variantes

Las simulaciones matemáticas muestran que el nuevo enfoque puede ofrecer una detección más rápida, económica y precisa, incluida la identificación de nuevas variantes.

Un enfoque novedoso para probar la presencia del virus que causa Covid-19 puede conducir a pruebas más rápidas, menos costosas y potencialmente menos propensas a resultados erróneos que los métodos de detección existentes.

Aunque el trabajo, basado en efectos cuánticos, todavía es teórico, estos detectores podrían potencialmente adaptarse para detectar prácticamente cualquier virus, dicen los investigadores.

La investigación la realiza Changhao Li, un estudiante de doctorado del MIT; Paola Cappellaro, profesora de ciencia e ingeniería nucleares y de física; y Rouholla Soleyman y Mohammad Kohandel de la Universidad de Waterloo.

Las pruebas existentes para el virus SARS-CoV-2 incluyen pruebas rápidas que detectan proteínas virales específicas y pruebas de reacción en cadena de la polimerasa (PCR) que tardan varias horas en procesarse.

Ninguna de estas pruebas puede cuantificar la cantidad de virus presente con gran precisión.

Incluso las pruebas de PCR estándar pueden tener tasas de falsos negativos de más del 25 por ciento.

En contraste, el análisis del equipo muestra que la nueva prueba podría tener tasas de falsos negativos por debajo del 1 por ciento.

La prueba también podría ser lo suficientemente sensible como para detectar solo unos pocos cientos de hebras del ARN viral, en solo un segundo.

El nuevo enfoque hace uso de defectos a escala atómica en pequeños trozos de diamante, conocidos como centros de vacantes de nitrógeno (NV).

Estos pequeños defectos son extremadamente sensibles a pequeñas perturbaciones, gracias a los efectos cuánticos que tienen lugar en la red cristalina del diamante, y se están explorando para una amplia variedad de dispositivos de detección que requieren una alta sensibilidad.

El nuevo método implicaría recubrir los nanodiamantes que contienen estos centros NV con un material que está acoplado magnéticamente a ellos y ha sido tratado para unirse solo con la secuencia de ARN específica del virus.

Cuando el ARN del virus está presente y se une a este material, interrumpe la conexión magnética y provoca cambios en la fluorescencia del diamante que se detectan fácilmente con un sensor óptico basado en láser.

El sensor utiliza solo materiales de bajo costo (los diamantes involucrados son más pequeños que las motas de polvo), y los dispositivos podrían ampliarse para analizar un lote completo de muestras a la vez, dicen los investigadores.

El recubrimiento a base de gadolinio con sus moléculas orgánicas sintonizadas con ARN se puede producir utilizando procesos y materiales químicos comunes, y los láseres utilizados para leer los resultados son comparables a los punteros láser verdes comerciales baratos y ampliamente disponibles.

Si bien este trabajo inicial se basó en simulaciones matemáticas detalladas que demostraron que el sistema puede funcionar en principio, el equipo continúa trabajando para traducir eso en un dispositivo funcional a escala de laboratorio para confirmar las predicciones.

“No sabemos cuánto tiempo llevará hacer la demostración final“, dice Li.

Su plan es primero hacer una prueba de laboratorio básica de prueba de principio y luego trabajar en formas de optimizar el sistema para que funcione en aplicaciones de diagnóstico de virus reales.

El proceso multidisciplinario requiere una combinación de experiencia en física e ingeniería cuántica, para producir los propios detectores, y en química y biología, para desarrollar las moléculas que se unen con el ARN viral y encontrar formas de unirlas a las superficies de los diamantes.

Incluso si surgen complicaciones al traducir el análisis teórico en un dispositivo de trabajo, dice Cappellaro, hay un margen tan grande de falsos negativos más bajos que se predice a partir de este trabajo que probablemente aún tendrá una gran ventaja sobre las pruebas de PCR estándar en ese sentido.

E incluso si la precisión fuera la misma, este método aún tendría una gran ventaja al producir sus resultados en cuestión de minutos, en lugar de requerir varias horas, dice ella.

El método básico se puede adaptar a cualquier virus, dice, incluidos los nuevos que puedan surgir, simplemente adaptando los compuestos que están unidos a los sensores de nanodiamantes para que coincidan con el material genérico del virus objetivo específico.

“El enfoque propuesto es atractivo tanto por su generalidad como por su simplicidad tecnológica”, dice David Glenn, científico investigador senior de Quantum Diamond Technologies Inc., que no estuvo asociado con este trabajo.

“En particular, la técnica de detección sensible y totalmente óptica que se describe aquí requiere una instrumentación mínima en comparación con otros métodos que emplean centros vacantes de nitrógeno”, dice.

Agrega que para su empresa, “estamos muy entusiasmados con el uso de sensores cuánticos basados ​​en diamantes para construir herramientas poderosas para el diagnóstico biomédico.

No hace falta decir que seguiremos con gran interés a medida que las ideas presentadas en este trabajo se traduzcan al laboratorio“.

Fuente: ACS