Viraless: مرز بعدی در امنیت زیستی و دفاع زیستی؟

مالیکا واسیلوا، دانشجوی علوم زیستی از دانشکده علوم و علوم انسانی دانشگاه نظربایف و سفیر iGEM و دانیله توسی، دانشیار دانشکده مهندسی و علوم دیجیتال آن توضیح می‌دهند که چگونه دستگاهی ساخته‌اند که تشخیص می‌دهد ویروس‌ها از آزمایشگاه‌ها فرار می‌کنند.

تهدیدات بیولوژیکی، چه به طور طبیعی و چه ساخته دست بشر، برای قرن ها دغدغه دائمی بشر بوده است. همه‌گیری COVID-19 بر نیاز به دستگاه‌های سریع و نقطه‌ای که می‌توانند حضور پاتوژن‌ها را در زمان واقعی شناسایی کنند، تاکید کرده است، که برای جوامع علمی و پزشکی بسیار مهم است.

تشخیص دقیق ویروس ها با یک دستگاه سریع (در عرض چند ثانیه) یک پیشرفت کلیدی است، زیرا چنین ابزاری می تواند حضور یک ویروس هدف را در طیف گسترده ای از رسانه های مایع مانند آب های خانگی شناسایی کند. فاضلاب یا آب های خاکستری

از طریق پروژه ناتو SPS (علم برای صلح و امنیت)، تیم ما نمونه اولیه دستگاهی به نام Viraless را بر اساس حسگرهای فیبر نوری برای تشخیص ویروس آبله توسعه داده و آزمایش کرده است.

Viraless راه حل جدیدی است که روشی سریع، دقیق و خاص برای تشخیص پاتوژن ها در مایعات مختلف ارائه می دهد. این یک سیستم حسگر زیستی مبتنی بر آنتی بادی بر روی فیبرهای نوری است که از اصل تشدید پلاسمون سطحی استفاده می کند. این سیستم از فیبرهای نوری با اتصال آنتی بادی های مونوکلونال/پلی کلونال به سطح آنها استفاده می کند.

هنگامی که آنتی ژن های ویروسی به این آنتی بادی ها متصل می شوند، باعث تغییر در ضریب شکست در فیبر می شوند – که اساساً نحوه انعکاس نور به فیبر را تغییر می دهد. این تداخل از طریق ابزار سخت افزاری پردازش شده و توسط نرم افزار همراه تفسیر می شود و نتایج سریع، دقیق و خاص را در قالبی کاربرپسند ارائه می دهد.

ما این تداخل را با محدود کردن آن به دو حالت معنادار و به راحتی قابل تفسیر می کنیم. آنتی بادی های اختصاصی آنتی ژن متصل به سطح فیبر – که اکنون فیبر نوری عامل دار نامیده می شود – یک حالت را نشان می دهد. حالت دوم زمانی ظاهر می‌شود که پروتئین‌های شناور آزادانه به آنتی‌بادی‌های ثابت متصل می‌شوند و الگوی انعکاس نور را در فیبر تغییر می‌دهند. در نتیجه، مقداری از نور در مسیر خود از بین می رود و شدت بازگشتی (کاهش یافته) به عنوان یک برهمکنش ثبت می شود و به ما کمک می کند تا در مورد وجود پروتئین های خاص در یک نمونه نتیجه گیری کنیم.

علاوه بر همه اینها، فیبرهای نوری خود مزایای زیادی در استفاده از آنها دارند:

• حساسیت قابل توجه ارائه شده توسط فیبرهای نوری به ما این امکان را می دهد که پروتئین های ویروسی را در غلظت های نانومولار یا حتی پیکومولار تشخیص دهیم، به این معنی که فیبرهای نوری عامل دار می توانند حضور یک ویروس را به طور موثر تشخیص دهند.
• تشخیص واقعی و سرعت تشخیص بالا (چند ثانیه)؛
• با توجه به هزینه های تولید پایین برای فیبرهای نوری، سیستم های پیشنهادی برای نصب در مقیاس بزرگ در دسترس و راحت خواهند بود.
• این فناوری برای تشخیص چند کاناله باز است، به این معنی که با گذشت زمان، می‌توانیم لیست پاتوژن‌های قابل تشخیص توسط سیستم خود را افزایش دهیم.

حوزه اصلی استفاده Viraless در امنیت زیستی و دفاع زیستی است، شناسایی عوامل بیماری زا در رودخانه ها، فاضلاب ها، آزمایشگاه ها یا مناطق نظامی برای جلوگیری از همه گیری ها و استفاده از سلاح های زیستی.

هدف این دستگاه ارائه یک پلت فرم بهینه برای ایمنی زیستی است که بتواند به سرعت یک پاتوژن خاص را در حالی که به طور یکپارچه با محیط ادغام می کند، شناسایی کند. کاربردها شامل تشخیص شیوع در محیط‌های شهری از طریق تشخیص در فاضلاب، یا تشخیص در آب‌های خاکستری در مکان‌های داخلی، مانند هواپیما – به دنبال رویکرد پیشنهادی برای تشخیص پیشرفته پاتوژن COVID-19 است. ما تصور می کنیم که این فناوری در تأسیسات ایمنی زیستی مورد استفاده قرار گیرد، برای مثال، برای نظارت بر نشت ویروس ها از آزمایشگاه های تحقیقاتی.

برخلاف سایر روش‌های تشخیص موجود، Viraless توانایی منحصربه‌فردی برای شناسایی پاتوژن‌های مصنوعی اصلاح‌شده ژنتیکی دارد. این فناوری می‌تواند از تشخیص پاتوژن‌های خاص در محیط‌های مایع، در محیط‌های شهری، یا مستقر در جوامع جداگانه و همچنین در سناریوهای داخلی پشتیبانی کند. در شکل قابل حمل خود، همچنین می تواند توسط اپیدمیولوژیست های میدانی برای آزمایش سریع و شناسایی پاتوژن های ویروسی در نمونه های محیطی استفاده شود.

تطبیق پذیری و دسترسی Viraless آن را به ابزاری ارزشمند در مبارزه با تهدیدات بیولوژیکی در حال ظهور تبدیل می کند. این دستگاه در مرحله اثبات مفهوم است و مکانیسم تشخیص خود را با استفاده از فیبرهای نوری تأیید کرده است. هنوز راهی برای بهینه سازی سیستم برای پردازش زیستی صنعتی و ایجاد حداقل محصول قابل دوام (MVP) وجود دارد. در آینده، Viraless این پتانسیل را دارد که در کاربردهای مختلف دیگر از جمله نظارت بر شیوع بیماری‌های عفونی و شناسایی تهدیدات بیوتروریسم استفاده شود. این فناوری همچنین می تواند برای شناسایی مولکول های مهم دیگر مورد استفاده قرار گیرد – در حال حاضر کارهایی در مورد تشخیص سرطان و غیره انجام شده است.

Viraless نشان دهنده مرز بعدی در امنیت زیستی و دفاع زیستی است. Viraless با فناوری و توانایی خود در تشخیص طیف گسترده ای از عوامل بیماری زا می تواند تأثیر قابل توجهی در مبارزه با تهدیدات بیولوژیکی در حال ظهور داشته باشد. توسعه Viraless گامی مثبت به سوی آینده ای امن تر برای همه و نشان دهنده تعهد مستمر برای محافظت از بشریت در برابر خطرات تهدیدات بیولوژیکی است.

این پروژه قبلاً در مسابقه بین‌المللی ماشین مهندسی ژنتیکی (iGEM) در سال 2022 مدال طلایی دریافت کرده است و مورد توجه بسیاری از سهامداران از شرکت‌های بیوتکنولوژی گرفته تا کارشناسان امنیت ملی و دفاعی قرار گرفته است.