भारतीय तंत्रज्ञान संस्था मुंबई (आयआयटी, मुंबई) येथील शास्त्रज्ञांनी, रोगजनक विषाणु व जीवाणुंचा प्रादुर्भावाच्या सुरवातीलाच तपास लावण्यासाठी सांडपाणी व इतर जलाशयांमध्ये डीएनए ओळखू शकणारे स्वस्त आणि सुवाह्य म्हणजेच पोर्टेबल उपकरण विकसित केले आहे. हे उपकरण (सेन्सर) सांडपाणी व पाण्याच्या इतर साठ्यांमध्ये ई. कोलाय जीवाणु आणि बॅक्टेरियोफेज फाय ६ विषाणू यांसारख्या रोगजनक जंतूंचे अस्तित्व खात्रीशीररित्या शोधण्यात सफल झाल्याचे आढळले आहे.

सांडपाणी निरीक्षण म्हणजे एखाद्या समुदायाच्या आरोग्याची खात्री करण्यासाठी तेथील सांडपाणी व मैला यातील रोगाणुंचा शोध घेणे. एखाद्या ठिकाणच्या जनसमुदायामध्ये एखाद्या विशिष्ठ रोगाचा प्रसार किती झाला आहे याचे अचूक मोजमाप तेथील सांडपाण्यामध्ये त्या रोगाणुंची घनता किती या माहितीवरून करता येते असे विविध अभ्यासांमधून सिद्ध झाले आहे.

आयआयटी मुंबई येथील विद्युत अभियांत्रिकी विभागातील प्राध्यापक व नवीन पोर्टेबल सेन्सर विकसित करणार्‍या गटाचे सदस्य असलेले प्रा. सिद्धार्थ तल्लूर सांगतात, “साथीच्या रोगांचा प्रादुर्भाव पाहण्यासाठी समुदायाच्या सांडपाण्याचे निरीक्षण करून रोगाणुंची घनता तपासण्याची पद्धत पहिल्यांदा १९३९ मध्ये सामुदायिक स्तरावर पोलिओचे विषाणु शोधण्यासाठी वापरली गेली होती.”

अलीकडच्या काळात, कोविड-१९ या साथीच्या आजाराने सांडपाणी निरीक्षणाचे महत्त्व पुन्हा एकदा समोर आणले आहे. सार्स-कोव्ही-२ची लागण झालेल्यांपैकी काही रुग्णांमध्ये काहीच लक्षणे आढळत नव्हती. संसर्गाची कोणतीही बाह्य चिन्हे दिसत नसल्याने असे रुग्ण केवळ वैद्यकीय निरीक्षण केले असता समोर येत नव्हते. सांडपाणी निरीक्षण करून गोळा केलेल्या डेटाद्वारे, किती व्यक्तींना संसर्ग झाला आहे तसेच एखाद्या जनसमुदायात कोणत्या प्रकारच्या सार्स-कोव्ही-२चा प्रसार झाला आहे याबाबत महत्वाचे अंदाज वर्तवता आले व ही माहिती वैद्यकीय तपासणीद्वारे मिळालेल्या माहितीस पूरक ठरली.

याशिवाय प्रा. तल्लूर म्हणाले, "ज्या समुदायांजवळ आरोग्यसेवा पुरेशा प्रमाणात उपलब्ध नाहीत किंवा जेथे मोठ्या प्रमाणात दर-माणशी चाचण्या करणे शक्य नाही अशा ठिकाणी संसर्गविषयक माहिती गोळा करण्यासाठी सांडपाणी-निरीक्षणावर आधारित साथरोगशास्त्र एक पूरक साधन म्हणून काम करते."

सध्या, रोगास कारणीभूत घटक शोधण्यासाठी रिअल-टाइम क्वांटिटेटिव्ह पॉलिमरेझ चेन रिएक्शन (RT-qPCR) ही पद्धत सर्वसामान्यपणे वापरली जाते. अतिविशिष्ट आणि संवेदनशील पद्धतीने निकाल देऊ शकण्यासाठी हे तंत्र नावाजलेले आहे. परंतु, क्यूपीसीआर (qPCR) चाचण्या करण्यासाठी खर्चिक शोध-साधन (प्रोब) आणि प्रशिक्षित कर्मचार्‍यांची आवश्यकता असते, व त्यामुळे या चाचण्या केवळ सुसज्ज प्रयोगशाळांमध्येच करता येतात.

कोविड-१९ महामारीच्या काळात सांडपाण्याच्या नमुन्यांमधून सार्स-कोव्ही २ विषाणु शोधू शकतील अशा अनेक नवीन बायोसेन्सर आणि डिटेक्टरचा शोध लागला. तसेच, स्मार्टफोनवर चालणारे सेन्सर देखील उपलब्ध झाले, जे नमुन्याच्या रंगातील बदल ओळखून रोगजनक डीएनएची उपस्थिती दर्शवतात. परंतु, ही उपकरणे तितकीशी संवेदनशील नाहीत, त्यांची व त्यांच्या वापरपद्धतीची किंमत जास्त आहे आणि त्याद्वारे निदान करण्यासाठी सुसज्ज प्रयोगशाळा आणि तज्ञ कर्मचाऱ्यांची गरज भासते. आयआयटी मुंबई येथे विकसित केलेला नवीन पोर्टेबल सेन्सर या सर्व मर्यादा लक्षणीयरीत्या कमी करतो.

आयआयटी मुंबईने बनवलेल्या उपकरणामध्ये मिथिलीन ब्लू (एमबी) या द्रव्याचा वापर केला गेला आहे. या द्रव्यासह डीएनएची रासायनिक प्रक्रिया घडून नमुन्याचा रंग बदलतो व हा बदल ओळखून हे उपकरण डीएनएचे अस्तित्व असल्याचे सुनिश्चित करते. इंटरकॅलेशन या प्रक्रियेच्या माध्यमातून मिथिलीन ब्लूसारखे रेणू डीएनएच्या बेसच्या मधल्या जागांमध्ये प्रवेश करतात. यामुळे वेगवेगळ्या तरंगलांबीचा प्रकाश शोषून घेण्याचा पदार्थाचा गुणधर्म बदलतो आणि परिणामी पदार्थाचा रंग बदलतो. चाचणीसाठी तयार केलेल्या नमुन्यात अशाप्रकारे रंगबदल होतो. कलरिमेट्रिक सेन्सर सिस्टीम ही एका स्वदेशी बनावटीच्या सर्किटभोवती तयार केली गेली आहे, ज्याला फेज-सेन्सिटिव्ह डिटेक्शन सर्किट म्हणतात व जे रंगातील हा बदल ओळखू शकते. सेन्सरमध्ये कलरिमेट्रिक सेन्सरशी जोडलेला नमुना धारक भाग असतो. नमुना धारकामध्ये नमुना ठेवल्यानंतर, डीएनएमुळे नमुन्यात होणारा रंगबदल सेन्सर ओळखतो, ज्याचे रूपांतर नंतर व्होल्टेज सिग्नलमध्ये होऊन त्याचे मोजमाप व नोंद ठेवली जाते. आयआयटी मुंबईच्या शास्त्रज्ञ गटाने ब्लूटूथद्वारे व्होल्टेज सिग्नल वाचू शकणारे एक मोबाईल ॲप्लिकेशन देखील विकसित केले आहे. हे मोबाईल ॲप्लिकेशन व्होल्टेज सिग्नल वाचल्यानंतर स्मार्टफोनवर माहिती प्रदर्शित करू शकते.

पीसीआर या प्रक्रियेद्वारे डीएनएच्या विशिष्ट खंडाच्या काही पटींमध्ये प्रतिकृती तयार करता येतात. डीएनएसह, शुद्ध न केलेल्या पीसीआरच्या निर्मितींमध्ये रासायनिक दूषित घटकांसह एन्झाईम्स आणि न्यूक्लियोटाइड्ससारखे इतर सेंद्रिय पदार्थ व प्रक्रियेसाठी वापरले जाणारे प्राइमर्स आणि बफर्स देखील असतात. पीसीआरच्या शुद्ध न केलेल्या निर्मितींमध्ये डीएनए शोधण्यात आणि प्रयोगाच्या शुध्द डीएनए असलेल्या नियंत्रण नमुन्यांपासून त्यांना वेगळे काढण्यात सेन्सर यशस्वी ठरल्याचे सिद्ध झाले.

पूर्णपणे आयआयटी मुंबई येथे डिझाइन केलेले आणि निर्माण केलेले फेज-सेन्सिटिव्ह डिटेक्शन सर्किट, सेमीकंडक्टरमध्ये अंतर्भूत असलेल्या कमी किमतीच्या सर्किटच्या घटकांपासून आणि कमी पॉवर लागणाऱ्या एलईडी प्रकाश स्रोतापासून बनवले गेले आहे. तसेच मिथिलीन ब्लू हे रंगद्रव्य स्वस्त व सहज मुबलक प्रमाणात उपलब्ध असते. या घटकांमुळे शास्त्रज्ञांना सेन्सरच्या उत्पादनाची आणि तो चालवण्याची किंमत कमी ठेवता आली आहे.

प्रा. तल्लूर यांचे मत आहे, “आमच्या या अभ्यासातून विकसित झालेले तंत्रज्ञान सांडपाणी निरीक्षणाद्वारे महामारी विषयी संशोधन करण्यासाठी एक किफायतशीर मार्ग म्हणून निश्चितच उपयोगी आहे.”

परंतु याचबरोबर या सेन्सरमध्ये स्वतःच्या अशा काही मर्यादा आहेत.

मिथिलीन ब्लू या रंगद्रव्याचा वापर केल्यामुळे या उपकरणाची विशिष्टता (स्पेसीफिसिटी) कमी होते. प्रा. तल्लूर यांच्या मते, “ते (मिथिलीन ब्लू) ज्या नमुन्यात प्रवेश करेल त्यात असलेल्या कोणत्याही डीएनएसह प्रक्रिया करते. त्यामुळे सेन्सरची एकूण विशिष्टता, पीसीआरमध्ये प्रयोगाच्या लक्ष्याच्या प्रवर्धनासाठी वापरल्या जाणार्‍या प्राइमर्सची शुद्धता आणि निवड याद्वारे निर्धारित केली जाते (विशिष्ट रोगजनकांच्या डीएनएला लक्ष्य बनवण्यासाठी त्यानुरूप मिसळलेली रसायने).”

शास्त्रज्ञ गटानुसार अतिविशिष्ट अशा रंगद्रव्यांचा वापर, विशिष्ट लक्ष्याला अनुरूप प्रोब आणि मजबूत मायक्रोफ्लुइडिक चिप्स अशा प्रकारचे नवे बदल झाले की ही प्रणाली अधिक संवेदनशील, विशिष्ट आणि मजबूत होईल.

या उपकरणाचा विकास आत्ता अगदी सुरुवातीच्या टप्प्यात असून कालांतराने आणखी सुधारणा अपेक्षित आहेत.

प्रा. तल्लूर यांनी या उपकरणाच्या भविष्यातील प्रगतीबद्दल सांगितले, “आम्ही नमुन्यांच्या पूर्व-प्रक्रियेसाठी कमी वेळ आणि कमी खर्च लागणाऱ्या पद्धती तसेच, प्रकाशीय व विद्युतरासायनिक डीएनए-सेन्सरसाठी वापरल्या जाऊ शकणार्‍या मजबूत आणि अतिविशिष्ट मूल्यमापन पद्धती विकसित करण्याच्या प्रयत्नात आहोत. या संकल्पना आणि कामाच्या आधारे काही पेटंटसाठी अर्ज दाखल केले आहेत आणि भविष्यात या दिशेने जशी प्रगती होईल त्यानुसार आणखीही काही अर्ज दाखल केले जातील.”

या सेन्सरचा यशस्वी वापर संभाव्य साथीच्या उद्रेकासाठी नियमित निरीक्षण आणि पूर्वकल्पना देण्याच्या प्रणालीसाठी महत्त्वाचा ठरू शकतो. याद्वारे विषाणु आणि जीवाणुंच्या संसर्गाच्या दृष्टीने एखाद्या ठिकाणच्या वातावरणाची तपासणी करण्याच्या पद्धतींमध्ये मोठी प्रगती होऊ शकते. त्यामुळे रोगाणुंचा लवकर तपास लागेल व साथीचा प्रादुर्भाव होण्याच्या सुरुवातीलाच प्रतिबंधक धोरणे राबवता येतील. तसेच, हे सर्व साध्य करण्यासाठी संस्था आणि राष्ट्रांच्या वित्तपुरवठ्यास विशेष फटका बसणार नाही.