Мониторинг и генотипирование SARS-CoV-2 в сточных водах с помощью портативного плазмонного биосенсора на основе Cas12a
Инфекционные заболевания представляют серьёзную угрозу для общественного здравоохранения и глобальной биобезопасности. Патогенные микроорганизмы могут передаваться не только по воздуху, но и обнаруживаться в образцах окружающей среды, например, в сточных водах. Методы клинической диагностики часто требуют много времени, средств, а их пределы обнаружения недостаточны для работы с образцами из окружающей среды, содержащими лишь следовые количества ДНК/РНК микроорганизмов.
Для решения этих проблем исследование под руководством профессора Хань Чжана из Шэньчжэньского университета впервые применило технологию волоконного поверхностного плазмонного резонанса (SPR) для детекции вируса SARS-CoV-2 в образцах окружающей среды. Работа опубликована в журнале Research и представляет новую стратегию тестирования у постели больного (POCT) на основе SPR для патогенных микроорганизмов в водных пробах.
В исследовании авторы создали ультратонкий плазмонный волоконный зонд диаметром 125 мкм. Для обеспечения специфичности биосенсора вирусные геномы автоматически обогащаются, а ген нуклеокапсида (N) амплифицируется перед реакцией с CRISPR-белком Cas12a.
После распознавания гена N, Cas12a осуществляет транс-расщепление одноцепочечной ДНК, экспонированной на поверхности волокна, что приводит к высвобождению ранее иммобилизованных наночастиц золота (AuNPs). Это вызывает резкое снижение характеристической длины волны SPR. Таким образом, волоконная SPR-система преобразует биологическую информацию, генерируемую CRISPR-ферментом, в SPR-сигналы, которые дополнительно усиливаются за счёт высвобождения AuNPs.
Предложенный волоконный зонд специфичен к вирусу и имеет предел обнаружения ~2300 копий/мл. Количество копий вирусного генома отражается в сдвигах длины волны. Серия проб сточных вод из разных источников была проанализирована с помощью волоконного SPR. Данные, полученные биосенсором, согласуются с результатами количественной ПЦР (qPCR) и колориметрических тестов. Вариант "омикрон" и его сайт мутации (L981F) были быстро детектированы с использованием Cas12a, специфичного к S-гену, что подтверждает успешное обнаружение однонуклеотидных мутаций.
Хотя ВОЗ объявила о завершении пандемии COVID-19, мониторинг и предотвращение распространения патогенов по-прежнему остро необходимы для поддержания глобальной биобезопасности.
При простой замене crРНК это устройство может быть использовано для детекции различных микроорганизмов в образцах окружающей среды и для точного генотипирования на основе распознавания последовательности ДНК CRISPR-ферментом. Благодаря простоте сборки и минимальным размерам, плазмонный волоконный сенсор может быть установлен рядом со стоками для отслеживания передачи патогенов in situ.
Эта работа предлагает точный и удобный подход для мониторинга микробного загрязнения сточных вод в реальном времени.