Ein „Mini-Zyklon“ hilft bei der Erkennung von Coronaviren in der Luft

Wissenschaftler haben ein Luftprobenahmegerät entwickelt, das in wenigen Minuten das Virus erkennt, das COVID-19 verursacht. Diese 3D-Abbildung zeigt das vorgeschlagene endgültige Design dieses Geräts.

Joseph Puthussery/Washington Univ. in St. Louis

Von Tina Hesman Say

9. August 2023 um 6:30 Uhr

Wenn Sie jemals einen Raum betreten und sich fragen, ob der Virus, der COVID-19 verursacht, dort herumschwirrt, sind Sie nicht allein. Jetzt gibt es ein Gerät, das diese Frage beantworten könnte. Forscher haben eine Luftsaugmaschine entwickelt, die das Coronavirus schnell erkennen kann.

Die Maschine ist etwas größer als ein Toaster. In nur fünf Minuten können nur sieben bis 35 Partikel des SARS-CoV-2-Virus pro Kubikmeter Luft nachgewiesen werden. Das ist ungefähr die gleiche Empfindlichkeit wie Nasenabstrichtests, die auf PCR basieren, sagt Rajan Chakrabarty. Er ist Aerosolwissenschaftler an der Washington University in St. Louis, Missouri.

Sein Team beschrieb seine Innovation am 10. Juli in Nature Communications.

Eine Herausforderung für das Team bestand darin, genügend Luft zu sammeln, um die Coronavirus-Partikel zu konzentrieren. Frühere, von anderen entwickelte Systeme saugten zwischen zwei und acht Liter Luft pro Minute an. Dieser Probenehmer saugt pro Minute 1.000 Liter an.

Um das Virus einzufangen, hat sein Team laut Chakrabarty „einen künstlichen Zyklon im Inneren des Probenehmers“ geschaffen. Im Inneren vermischt sich die Luft in einem rasanten Wirbel mit Flüssigkeit. Durch diese Zyklonwirkung wird die Gülle gegen die Wand des Detektors geschleudert. Eventuelle Viren konzentrieren sich nun dort.

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Ein am Gerät angebrachter HEPA-Filter entfernt alle in der Luft befindlichen Viren, die nicht in der Flüssigkeit gefangen sind. Nach fünf Minuten Sammlung pumpt das System die virusreiche Flüssigkeit zu einem Biosensor.

Dieser Sensor verfügt über eine Elektrode, die an einem speziellen Protein des Immunsystems befestigt ist, das von Lamas und ihren Verwandten hergestellt wird. Als Nanokörper bekannt, bekämpft er Infektionen wie menschliche Antikörper. Dieses Protein ist jedoch kleiner und etwas zäher.

Der Nanokörper greift das Spike-Protein jedes vorbeiziehenden Coronavirus. Strom fließt von der Elektrode durch den Nanokörper und das Spike-Protein. Dadurch verliert eine bestimmte Aminosäure – ein Baustein des Spike-Proteins – Elektronen. Ihr Verlust führt zu einer Spannungsänderung. Und das signalisiert, dass SARS-CoV-2 vorhanden ist.

Das Team der Washington University platzierte sein Gerät in den Wohnungen von zwei Freiwilligen. Jeder hatte eine bestätigte COVID-19-Infektion. Dadurch könnte das Team testen, wie gut das Tool den Virus unter realen Bedingungen erkennen kann.

Und es entdeckte „sogar die Spuren von Viren, die von den Patienten ausgeschieden wurden“, sagt Chakrabarty. Als das Gerät in einem leeren, gut belüfteten Konferenzraum aufgestellt wurde, zeigte es keinen Virus.

„Sie haben gezeigt, dass es funktioniert“, sagt Linsey Marr. Sie ist Aerosolwissenschaftlerin am Virginia Tech in Blacksburg. Dieses neue System kann „das Virus in geringen Mengen erkennen, die uns in der Luft beunruhigen würden“, sagt sie. Im Rahmen der Untersuchung der Ausbreitung von Keimen entwickelt Marrs Team auch einen Virendetektor.

Einige Herausforderungen bleiben bestehen. Zum einen ist das neue Gerät laut – etwa so laut wie ein Staubsauger oder ein klingelndes Telefon. Die Leute könnten das für eine kurze Zeit erträglich finden. Aber das sei zu laut, sagt Marr, um ununterbrochen in einem Klassenzimmer oder Büro zu laufen.

Das System ist auch kostspielig. Laut Chakrabarty belaufen sich die Kosten für den Bau eines solchen Geräts in einem Forschungslabor auf etwa 1.400 bis 1.900 US-Dollar.

Kommerzielle Versionen könnten für den Heimgebrauch zu teuer sein, sagt Marr. Sie glaubt jedoch, dass Krankenhäuser, Flughäfen und andere öffentliche Bereiche davon profitieren könnten. Für Anlagen zum Heizen, Kühlen und Belüften von Gebäuden ist eine Einbindung der Geräte in die Luftversorgung möglich. Diese Systeme könnten dann den Luftstrom und die Filterung erhöhen, wenn ein Virus entdeckt wird.

Unterdessen denkt Chakrabarty bereits über die nächsten Schritte für das Gerät seines Teams nach. Er hofft, Lama-Nanokörper hinzufügen zu können, um auch andere in der Luft übertragene Viren zu erkennen, beispielsweise das Virus, das Grippe verursacht.

Aerosol : (adj. aerosolisiert) Ein winziger fester oder flüssiger Partikel, der in der Luft oder als Gas suspendiert ist. Aerosole können natürlicher Natur sein, wie zum Beispiel Nebel oder Gas aus Vulkanausbrüchen, oder künstlich, wie zum Beispiel Rauch aus der Verbrennung fossiler Brennstoffe.

Antikörper : Eines von vielen Proteinen, die der Körper aus B-Zellen produziert und im Rahmen seiner Immunantwort in die Blutversorgung abgibt. Die Produktion von Antikörpern wird ausgelöst, wenn der Körper auf ein Antigen, also einen Fremdkörper, trifft. Anschließend heften sich Antikörper an Antigene und sind ein erster Schritt zur Deaktivierung der Keime oder anderen Fremdstoffe, die die Quelle dieser Antigene waren.

kommerziell : Ein Adjektiv für etwas, das zum Verkauf steht oder bereits verkauft wird. Kommerzielle Güter sind solche, die für andere gefangen oder produziert werden und nicht ausschließlich für den persönlichen Verbrauch.

Coronavirus : Eine Familie von Viren, benannt nach den kronenartigen Spitzen auf ihrer Oberfläche (Corona bedeutet auf Lateinisch „Krone“). Coronaviren verursachen Erkältungen. Zur Familie gehören auch Viren, die weitaus schwerwiegendere Infektionen verursachen, darunter SARS und COVID-19.

COVID 19 : Ein Name für die Krankheit, die im Jahr 2020 zu einer massiven globalen Pandemie ausbrach. Sie trat erstmals im Jahr 2019 auf und wird durch ein neues Coronavirus namens SARS-CoV-2 verursacht. Zu den Symptomen können Lungenentzündung, Atembeschwerden, das Gefühl, zu müde zu sein, um mehr als ein paar Schritte zu gehen, Fieber, Kopfschmerzen, niedrige Blutsauerstoffwerte, Blutgerinnsel und „Nebel“ im Gehirn gehören.

Zyklon : Ein starker, rotierender Wirbel, der normalerweise aus Wind besteht. Natürliche Beispiele sind ein Tornado oder ein Hurrikan.

Elektrizität: Ein Ladungsfluss, der normalerweise durch die Bewegung negativ geladener Teilchen, sogenannter Elektronen, entsteht.

Elektrode : Ein Gerät, das Elektrizität leitet und dazu dient, Kontakt mit nichtmetallischen Teilen eines Stromkreises herzustellen, oder das etwas kontaktiert, durch das ein elektrisches Signal übertragen wird. (in der Elektronik) Teil eines Halbleiterbauelements (z. B. eines Transistors), der Elektronen oder Löcher entweder freisetzt oder sammelt oder deren Bewegung steuern kann.

Elektron : Ein negativ geladenes Teilchen, das normalerweise die äußeren Regionen eines Atoms umkreist; auch der Träger der Elektrizität in Festkörpern.

Filter : (S.) Etwas, das aufgrund ihrer Größe oder einer anderen Eigenschaft einige Materialien passieren lässt, andere jedoch nicht. (v.) Der Prozess, bestimmte Dinge anhand von Merkmalen wie Größe, Dichte und elektrischer Ladung herauszufiltern. (adj.Filtration)

Grippe : Abkürzung für Influenza. Eine hoch ansteckende Virusinfektion der Atemwege, die Fieber und starke Schmerzen verursacht. Sie tritt häufig epidemisch auf.

HEPA : Ein Akronym für hocheffiziente Partikelluft. Es handelt sich um eine Bezeichnung für eine Art plissierten Luftfilter (normalerweise aus Stoff). Es kann theoretisch mindestens 99,97 Prozent der in der Luft befindlichen Partikel mit einem Durchmesser von mindestens 0,3 Mikrometern entfernen. Dazu gehören die meisten Bakterien, Staub, Schimmel und Pollen. Alle größeren oder kleineren Partikel können noch effizienter eingefangen werden. Solche Filter werden häufig in Staubsaugern, Lüftungssystemen und als Abdeckungen zum Schutz von Nase und Mund eingesetzt.

Immunsystem: Die Ansammlung von Zellen und ihre Reaktionen, die dem Körper helfen, Infektionen abzuwehren und mit Fremdstoffen umzugehen, die Allergien auslösen können.

Infektion : Eine Krankheit, die von einem Organismus auf einen anderen übertragen werden kann. Es wird normalerweise durch eine Art Mikrobe verursacht.

Verknüpfung: Eine Verbindung zwischen zwei Personen oder Dingen.

flüssig: Ein Material, das frei fließt, aber ein konstantes Volumen behält, wie Wasser oder Öl.

Nasal: Hat mit der Nase zu tun.

Partikel: Eine winzige Menge von etwas.

PCR : Ein Akronym für Polymerase-Kettenreaktion. Es handelt sich um einen biochemischen Prozess, bei dem eine bestimmte DNA-Sequenz wiederholt kopiert wird.

Eiweiß : Eine Verbindung aus einer oder mehreren langen Aminosäureketten. Proteine ​​sind ein wesentlicher Bestandteil aller lebenden Organismen. Sie bilden die Grundlage lebender Zellen, Muskeln und Gewebe; Sie erledigen auch die Arbeit innerhalb von Zellen. Antikörper, Hämoglobin und Enzyme sind Beispiele für Proteine. Medikamente wirken häufig, indem sie sich an Proteine ​​binden.

SARS-CoV-2 : Ein Coronavirus, das Ende Dezember 2019 in Wuhan, China, auftrat. Es verursachte weitverbreitete – und manchmal tödliche – Krankheiten in ganz China und vielen anderen Ländern. Sein Name spiegelt seine große Ähnlichkeit mit dem ursprünglichen Coronavirus SARS (für schweres akutes respiratorisches Syndrom) wider. Das SARS-Virus löste 2003 einen weltweiten Krankheitsausbruch aus.

System : Ein Netzwerk aus Teilen, die zusammenarbeiten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen. Beispielsweise sind Blut, Gefäße und Herz die Hauptbestandteile des Kreislaufsystems des menschlichen Körpers. Ebenso gehören Züge, Bahnsteige, Gleise, Fahrbahnsignale und Überführungen zu den potenziellen Komponenten des Eisenbahnsystems eines Landes. Das System kann sogar auf Prozesse oder Ideen angewendet werden, die Teil einer Methode oder eines geordneten Satzes von Verfahren zur Erledigung einer Aufgabe sind.

Virus : Winzige infektiöse Partikel, die aus genetischem Material (RNA oder DNA) bestehen und von Proteinen umgeben sind. Viren können sich nur vermehren, indem sie ihr genetisches Material in die Zellen von Lebewesen einschleusen. Obwohl Wissenschaftler Viren häufig als lebend oder tot bezeichnen, argumentieren viele Wissenschaftler tatsächlich, dass kein Virus wirklich lebt. Es frisst nicht wie Tiere und stellt seine Nahrung nicht selbst her wie Pflanzen. Um zu überleben, muss es die Zellmaschinerie einer lebenden Zelle kapern.

Stromspannung : Eine mit einem elektrischen Strom verbundene Kraft, die in der Einheit Volt gemessen wird. Energieversorger nutzen Hochspannung, um elektrische Energie über große Entfernungen zu transportieren.

Tagebuch: JV Puthussery et al. Echtzeit-Umweltüberwachung von SARS-CoV-2-Aerosolen. Naturkommunikation. Bd. 14, online veröffentlicht am 10. Juli 2023. doi: 10.1038/s41467-023-39419-z.

Tina Hesman Saey ist leitende Autorin und berichtet über Molekularbiologie bei Science News. Sie hat einen Ph.D. in Molekulargenetik von der Washington University in St. Louis und einen Master-Abschluss in Wissenschaftsjournalismus von der Boston University.

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