Development of Rapid Detection Tests for SARS-CoV-2 and other Pathogens based on Materials with Molecular Gates

Abstract

[ES] La presente tesis doctoral titulada "Development of rapid detection tests for SARS-CoV-2 and other pathogens based on materials with molecular gates" se centra en el desarrollo de materiales avanzados de detección, diseñados para la identificación rápida de patógenos como SARS-CoV-2, Xylella fastidiosa y Mycobacterium tuberculosis. Para lograr este objetivo general, la investigación se estructura en cuatro metas específicas, las cuales se desarrollan a lo largo de los capítulos de esta tesis. En el primer capítulo, se presenta el desarrollo de un sistema de detección basado en el soporte de alúmina anódica nanoporosa (NAA) combinado con puertas moleculares de ADN complementario para la detección del ADN genómico de Xylella fastidiosa. Este sistema aprovecha estas hebras como agente de bloqueo de los poros de la NAA, lo que permite una detección específica de este patógeno de gran relevancia en ecología y agricultura. En el segundo capítulo se explora la creación de un sistema basado en materiales de alúmina con anticuerpos como puertas moleculares para la detección de Mycobacterium tuberculosis, el patógeno responsable de la tuberculosis. Este dispositivo busca brindar una detección específica mediante la implementación de anticuerpos que actúan como agentes de bloqueo de los poros a la vez que elemento reconocedor en el sistema. El tercer capítulo, aborda el diseño, síntesis y evaluación de los sistemas de NAA funcionalizados con aptámeros para la detección temprana de SARS-CoV-2. El proyecto de investigación se enfoca en obtener una alta sensibilidad y selectividad para identificar el virus, dado su impacto en la salud pública y la importancia de su detección temprana para controlar la propagación del COVID-19. Por último, el cuarto capítulo se desarrolló un novedoso sistema de detección para material genético de SARS-CoV-2, combinando el sistema CRISPR-Cas con el soporte de NAA funcionalizado con ADN de cadena simple. Esta metodología integró la especificidad de CRISPR-Cas con la amplificación de señal de los materiales de NAA, logrando detectar secuencias de oligonucleótidos específicos con alta precisión. Todos los capítulos profundizan en la síntesis y caracterización de estos materiales con puertas moleculares, que se han diseñado para detectar biomoléculas de diferente naturaleza como pueden ser proteínas o secuencias específicas de ADN. Además, se estudian las dinámicas de liberación del indicador encapsulado en los poros en presencia de sus respectivos analitos e interferentes, lo cual es crucial para evaluar la eficiencia y viabilidad práctica de los materiales en aplicaciones reales. Los estudios demuestran cómo la interacción entre el analito y la puerta molecular desplaza a esta última dando lugar a la liberación controlada del colorante, funcionando como una señal medible que confirma la presencia del patógeno. Estos avances en el diseño de sistemas de detección con puertas moleculares representan un importante progreso en los campos de reconocimiento y diagnóstico, ofreciendo métodos rápidos, altamente sensibles, selectivos y adaptables a la detección de un amplio rango de patógenos de importancia en la actualidad.

[CA] La present tesi doctoral titulada "Development of rapid detection tests for SARS-CoV-2 and other pathogens based on materials with molecular gates" se centra en el desenvolupament de materials avançats de detecció, dissenyats per a la identificació ràpida de patògens com SARS-CoV-2, Xylella fastidiosa i Mycobacterium tuberculosis. Per a assolir aquest objectiu general, la investigació s'estructura en quatre metes específiques, les quals es desenvolupen al llarg dels capítols d'aquesta tesi. En el primer capítol, es presenta el desenvolupament d'un sistema de detecció basat en el suport d'alúmina anòdica nanoporosa (NAA) combinat amb portes moleculars d'ADN complementari per a la detecció de l'ADN genòmic de Xylella fastidiosa. Aquest sistema aprofita aquestes cadenes com a agent de bloqueig dels porus de la NAA, la qual cosa permet una detecció específica d'aquest patogen de gran rellevància en ecologia i agricultura. En el segon capítol s'explora la creació d'un sistema basat en materials d'alúmina amb anticossos com a portes moleculars per a la detecció de Mycobacterium tuberculosis, el patogen responsable de la tuberculosi. Aquest dispositiu busca proporcionar una detecció específica mitjançant la implementació d'anticossos que actuen com a agents de bloqueig i reconeixement en el sistema. El tercer capítol aborda el disseny, síntesi i avaluació dels sistemes de NAA funcionalitzats amb aptàmers per a la detecció primerenca de SARS-CoV-2. El projecte de recerca se centra en obtindre una alta sensibilitat i selectivitat per a identificar el virus, donat el seu impacte en la salut pública i la importància de la seua detecció primerenca per a controlar la propagació de la COVID-19. Finalment, el quart capítol desenvolupa un innovador sistema de detecció per a material genètic de SARS-CoV-2, combinant el sistema CRISPR-Cas amb el suport de NAA funcionalitzat amb ADN de cadena simple. Aquesta metodologia integra l'especificitat de CRISPR-Cas amb l'amplificació de senyal dels materials de NAA, aconseguint detectar seqüències específiques d'oligonucleòtids amb alta precisió. Tots els capítols profunditzen en la síntesi i caracterització d'aquests materials amb portes moleculars, que s'han dissenyat per a detectar diferents tipus d'analits, des de cèl·lules i proteïnes fins a seqüències específiques d'ADN. A més, s'estudien les dinàmiques d'alliberament de l'indicador encapsulat en els porus en presència dels seus respectius analits, la qual cosa és crucial per a avaluar l'eficiència i viabilitat pràctica dels materials en aplicacions reals. Els estudis demostren com la interacció entre l'analit i la porta molecular desplaça aquesta última, donant lloc a l'alliberament controlat del colorant i funcionant com un senyal mesurable que confirma la presència del patogen. Aquests avanços en el disseny de sistemes de detecció amb portes moleculars representen un important progrés en els camps del reconeixement i diagnòstic, oferint mètodes ràpids, altament sensibles, selectius i adaptables per a la detecció d'un ampli rang de patògens d'importància actual.

[EN] This doctoral thesis, titled "Development of rapid detection tests for SARS-CoV-2 and other pathogens based on materials with molecular gates," focuses on the development of advanced detection materials, designed for the rapid identification of pathogens such as SARS-CoV-2, Xylella fastidiosa, and Mycobacterium tuberculosis. To achieve this aim, the research is structured into four specific goals, which are developed throughout the chapters of this thesis. The first chapter presents the development of a detection system based on nanoporous anodic alumina (NAA) combined with complementary DNA molecular gates to detect the genomic DNA of Xylella fastidiosa. This system leverages these DNA strands as pore-blocking agents in the NAA, allowing a specific detection of this pathogen, which is highly relevant in ecology and agriculture. The second chapter explores the development of a system based on alumina materials with antibodies as molecular gates to recognize Mycobacterium tuberculosis, the pathogen responsible for tuberculosis. This device aims to provide specific detection by implementing antibodies that act as blocking and recognition agents in the system. The third chapter addresses the design, synthesis, and evaluation of NAA systems functionalized with aptamers for the early detection of SARS-CoV-2. This research project focuses on achieving high sensitivity and selectivity to identify the virus, given its impact on public health and the importance of early detection to control the spread of COVID-19. Finally, the fourth chapter develops an innovative detection system for SARS-CoV-2 genetic material, combining the CRISPR-Cas system with an NAA support functionalized with single-stranded DNA. This methodology integrates the specificity of CRISPR-Cas with the signal amplification of NAA materials, achieving highly precise detection of specific oligonucleotide sequences. All chapters explore the synthesis and characterization of these gated materials, designed to detect analytes from different nature, from proteins to specific DNA sequences. In addition, the dynamics of the encapsulated indicator release within the pores are studied in the presence of their respective analytes, which is crucial for evaluating the efficiency and practical feasibility of these materials in real-world applications. The studies demonstrate how the interaction between the analyte and the molecular gate displaces the latter, resulting in the controlled release of the dye, acting as a measurable signal that confirms the presence of the pathogen. These advances in the design of detection systems with molecular gates represent a significant step forward in the fields of recognition and diagnostics, offering rapid, highly sensitive, selective, and adaptable methods for detecting a wide range of pathogens of current importance.