Biosensor Baru Pendeteksi COVID-19 di Lingkungan Sekitar

Abstrak

Jing Wang dan timnya di Empa dan ETH Zurich memiliki kajian dan berfokus pada pengukuran, menganalisis dan reduksi polusi di udara seperti aerosol dan nanopartikel yang diproduksi secara buatan. Namun, tantangan yang dihadapi seluruh dunia saat ini juga mengubah tujuan dan strategi di laboratorium penelitiannya. Fokus baru: sensor yang dapat dengan cepat dan efisien dalam mendeteksi SARS-CoV-2 - coronavirus baru yang dikenal sebagai COVID-19.


Ide atau gagasan ini tidak begitu jauh dari pekerjaan penelitian kelompok sebelumnya: bahkan sebelum COVID-19 mulai menyebar yang pertama kali di Cina kemudian ke seluruh dunia. Wang dan rekan-rekannya meneliti sensor yang dapat mendeteksi bakteri dan virus tersebut di udara maupun di lingkungan sekitar. Pada awal Januari, ide yang digunakan pada dasarnya lebih mengembangkan sensor sedemikian rupa sehingga dapat dipercaya mampu mengidentifikasi virus tertentu. Sensor tidak bukan berarti menggantikan tes laboratorium yang sudah ada, tetapi dapat digunakan sebagai metode alternatif untuk diagnosis klinis, dan lebih efisien dalam mengukur konsentrasi virus di udara secara real time: Misalnya, di tempat-tempat keramaian seperti stasiun kereta dan rumah sakit.


Tes cepat (Fast test) untuk COVID-19 ini sangat dibutuhkan untuk mengendalikan pandemi secepatnya. Sebagian besar laboratorium menggunakan metode molekuler yang disebut reaksi rantai transkripsi polimerase terbalik (reverse transcription polymerase chain reaction), atau RT-PCR, untuk mendeteksi virus pada infeksi pernapasan. Metode ini dapat dikatakan sudah baik dan bahkan dapat mendeteksi sejumlah kecil virus, tetapi pada saat yang sama dapat memakan waktu dan rentan terjadi kesalahan.

Sensor optik untuk sampel RNA

Jing Wang dan timnya telah mengembangkan metode uji alternatif dalam bentuk biosensor optik. Sensor ini menggabungkan dua efek berbeda yaitu optik dan termal untuk mendeteksi virus dengan aman dan dapat dipercaya kemampuannya.

Sensor ini terbuat dari struktur emas yang sangat kecil, yang disebut gold nanoislands, pada substrat kaca. Reseptor DNA yang diproduksi secara artifisial yang cocok dengan rantai RNA spesifik dari SARS-CoV-2 dimasukkan ke dalam gold nanoislands. Coronavirus adalah virus RNA: Genomnya tidak terdiri dari rantai DNA ganda seperti pada organisme hidup, tetapi dari rantai RNA tunggal. Karenanya, reseptor pada sensor merupakan rantai pelengkap dari rantai unik RNA virus yang dapat dengan mudah mengidentifikasi atau mendeteksi COVID-19.

Teknologi yang digunakan para peneliti untuk mendeteksi COVID-19 ini disebut dengan LSPR (localized surface plasmon resonance). Teknologi ini merupakan fenomena optik yang terjadi dalam struktur nano logam: Ketika berrinteraksi, maka akan memodulasi cahaya dalam rentang panjang gelombang tertentu dan membuat medan plasmonik di sekitar struktur nano logam tersebut. Ketika molekul berikatan dengan permukaan, indeks bias dalam medan dekat plasmonik akan berubah. Sehingga, sensor optik yang terletak di bagian belakang sensor dapat digunakan untuk mengukur perubahan ini dan dengan demikian dapat menetukan atau medeteksi apakah sampel berisi rantai RNA dari Virus Corona.

Heat increases reliability

Namun, penting diketahui bahwa hanya untaian atau rantai RNA yang persis dengan reseptor DNA pada sensor yang dibuat. Di sinilah efek kedua berperan pada sensor yaitu efek fototermal plasmonik (plasmonic photothermal (PPT). Jika struktur nano emas pada sensor bereksitasi dengan laser dengan panjang gelombang tertentu, maka pada saat itu pula akan menghasikan panas di area medannya.

Lalu, bagaimana hal proses ini dapat bekerja dan membantu dalam pendeteksian COVID-19? Seperti yang telah dijelaskan, genom virus corona (COVID-19) hanya terdiri dari satu rantai RNA. Jika rantai RNA COVID-19 berinterkasi dengan rantai RNA pada reseptor sensor, keduanya akan bergabung untuk membentuk rantai ganda, proses yang terjadi disebut dengan hibridisasi. Ketika rantai ganda ini terbelah menjadi rantai tunggal maka akan terjadi yang disebut dengan peleburan atau denaturasi. Hal ini terjadi pada suhu tertentu terutama pada titik lelehnya. Namun, jika suhu sekitar jauh lebih rendah dari suhu leleh, rantai yang tidak saling melengkapi juga dapat terhubung. Ini dapat menyebabkan hasil tes yang salah. Jika suhu sekitar hanya sedikit lebih rendah dari suhu leleh, hanya rantai pelengkap yang dapat bergabung secara hibrid. Dan ini diakibatkan dari peningkatan suhu sekitar yang disebabkan oleh efek PPT.

Seperti yang dilansir pada sciencedaily.com, untuk menunjukkan seberapa layak dan efisiensi dari sensor pendeteksi COVID-19, saat ini para peneliti mengujinya dengan virus yang sangat erat hubungannya dengan virus tersebut yaitu SARS-CoV. Ini adalah virus yang pecah pada tahun 2003 dan memicu pandemi SARS. Kedua virus - SARS-CoV dan SARS-CoV2 - hanya sedikit berbeda dalam struktur rantai RNAnya. Dan pada akhirnya proses validasipun berhasil: "Hasil tes menunjukkan bahwa sensor dapat dengan jelas membedakan antara urutan RNA yang sangat mirip dari kedua virus," jelas Jing Wang. Dan hasilnya sudah dapat teridentifikasi dalam hitungan menit.

Namun, saat ini, sensor tersebut belum siap untuk mengukur konsentrasi COVID-19 di udara. Sejumlah langkah pengembangan masih diperlukan untuk dapat mengatasi masalah ini - misalnya, sistem yang menarik udara, memusatkan aerosol di dalamnya dan melepaskan RNA dari virus. "Ini masih perlu dikembangkan lebih lanjut," kata Wang. Tetapi begitu sensor siap, prinsipnya dapat diterapkan pada virus lain dan membantu mendeteksi dan menghentikan epidemi pada tahap awal.



Jurnal Referensi

Guangyu Qiu, Zhibo Gai, Yile Tao, Jean Schmitt, Gerd A. Kullak-Ublick, Jing Wang. Dual-Functional Plasmonic Photothermal Biosensors for Highly Accurate Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 Detection. ACS Nano, 2020; DOI: 10.1021/acsnano.0c02439



Sumber Berita