Forscher hoffen, dass eine „Robonase“ den K-9-Offizieren eine Pause verschaffen könnte.

Jeden Tag schnüffeln Tausende von trainierten K9-Hunden Drogen, Sprengstoffe und vermisste Personen in den Vereinigten Staaten. Diese Hunde sind für die Sicherheit von unschätzbarem Wert, aber sie sind auch sehr teuer und können müde werden.

Herzog-Forscher haben die ersten Schritte unternommen, um ein künstliches „Roboter-Nasengerät“ aus lebenden Mauszellen zu bauen, das Offiziere anstelle von Hunden verwenden könnten.

Die Forscher haben einen Prototyp entwickelt, der auf Geruchsrezeptoren basiert, die aus den Genen von Mäusen gewachsen sind, die auf Zielgerüche reagieren, einschließlich der Gerüche von Kokain und Sprengstoffen. Ihre Arbeit erschien Anfang dieses Monats in Nature Communications.

Es stellt sich heraus, dass es ein paar sehr große Unterschiede gibt, wenn man Dinge in einer Laborschale testet und sie in einer echten Nase testet.

„Diese Idee einer künstlichen Nase ist schon seit langem vorhanden“, sagte der Senior-Studienautor Hiroaki Matsunami, Professor für Molekulargenetik und Mikrobiologie an der Duke School of Medicine. „Die Rezeptoren wurden in den 90er Jahren identifiziert, aber es gibt erhebliche technische Hürden, um all diese Rezeptoren zu produzieren und die Aktivität zu überwachen, so dass wir sie in einem künstlichen Gerät verwenden können.“

„E-Nasen“, die es gibt, verwenden jetzt verschiedene chemische Verbindungen, um Gerüche anstelle von Rezeptorstammzellen zu erkennen, sagte Matsunami. Er sagte, diese Geräte sind „nicht so gut wie ein trainierter Hund“.

„Die Idee ist, dass wir durch die Verwendung der eigentlichen, lebenden Rezeptoren vielleicht ein tierähnliches Gerät entwickeln können“, sagte Matsunami. „Niemand hat das bisher erreicht, aber diese Studie nähert sich diesem Ziel.“

Das Genom von Mensch, Hund und Maus enthält rund 20.000 Gene, die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthalten, die alles riechen, schmecken, fühlen, bewegen und tun, was unser Körper tut. Ungefähr 5 Prozent der Mausgene wurden als Anweisungen zur Herstellung von Geruchsrezeptoren identifiziert, sagte Matsunami. Im Gegensatz dazu nutzt der Mensch nur etwa 2 Prozent seiner Gene, um Geruchsrezeptoren herzustellen.

„Diese Tiere investieren eine Menge Ressourcen für diesen Zweck“, sagte Matsunami. „Mäuse und Ratten sind sehr gute Riecher; wir benutzen nur keine Mäuse, um Sprengstoffe im wirklichen Leben zu erkennen. Es gibt einige praktische Probleme, um das zu tun.“

Der erste Schritt der Studie war es, die besten Geruchsrezeptoren zu identifizieren, um auf Zielgerüche wie Kokain oder Marihuana zu reagieren.

Die Forscher schufen ein flüssiges Medium, das mit Molekülen angereichert ist, die bei Reaktionen leuchten könnten. Als nächstes kopierten sie etwa 80 Prozent der Geruchsrezeptoren von Mäusen und mischten diese Rezeptoren mit sieben Ziel-Geruchschemikalien im Medium.

Sie maßen die resultierende Lumineszenz und wählten die besten Geruchsrezeptoren für den zweiten Teil der Studie, die die Aktivierung der Rezeptoren in Echtzeit überwachten.

Frühere Forschungen hatten dies getan, indem sie ausgewählte Rezeptoren Geruchschemikalien in einer Flüssigkeit ausgesetzt hatten. Es gibt jedoch mehrere Unterschiede zwischen der Petrischale und der Nase. Zum einen tauchen wir unsere Nasen selten in flüssige Bäder von Geruchschemikalien. Stattdessen erkennen unsere Nasen Gerüche von schwebenden Parfüms oder Gestank in der Luft. Und unsere Nasen sind voller Schleim.

So versuchten sie für die zweite Hälfte der Studie, die von den Zuschüssen des National Institute of Health DC014423 und DC016224 und der Defense Advanced Research Project Agency RealNose Project unterstützt wurde, nachzuahmen, wie wir unsere Nasen benutzen, indem sie Duftstoffe Dämpfen und einigen Enzymen aussetzten.

Für diese Studie testeten die Forscher die von ihnen identifizierten Rezeptoren gegen zwei Geruchsdämpfe.

„Wir haben nur zwei von ihnen in der Studie getestet, aber es zeigt den Beweis des Prinzips, wie es verwendet werden kann“, sagte Matsunami.

Die Forscher hoffen, dass sie das Gerät verfeinern können, um alle Rezeptoren gegen viele verschiedene Gerüche zu testen.

„Wir haben ein Panel von Rezeptoren, so dass wir überwachen können, wie verschiedene Rezeptoren unterschiedlich auf verschiedene Gerüche reagieren, einschließlich solcher, die in ihrer chemischen Struktur einander ähnlich sind oder die mit dem realen Gebrauch in Verbindung stehen könnten, wie etwas, das mit Sprengstoffen oder Drogen in Verbindung gebracht wird“, sagte Matsunami.

Die Forscher testeten auch verschiedene Enzyme, die man im Schleim finden könnte, um zu sehen, wie sie Reaktionen unterstützten oder behinderten. Dieser Prozess ist naturgetreuer als Dampfmoleküle, die direkt mit Geruchsrezeptoren interagieren.

„Man sollte denken, wenn wir eine Chemikalie riechen, würde die Chemikalie an den chemischen Rezeptor in der Nase binden, aber eigentlich ist es nicht so einfach“, sagte Matsunami. „Wenn sich die Chemikalie im Nasenschleim auflöst, bevor sie an den Rezeptor bindet, kann sie durch Enzyme im Nasenschleim in eine andere Substanz umgewandelt werden.“

Schleim ist eine unbekannte Grenze, um zu verstehen, wie wir riechen. Die Rekonstruktion der Schlüsselkomponenten des Nasenschleims könnte der nächste Schritt zum Aufbau einer künstlichen Nase sein, so das Papier.

„Es ist nicht so, dass unser Papier bald auf ein tragbares Gerät angewendet wird, das am Flughafen verwendet wird, aber dies ist ein wichtiger Schritt nach vorne, um zu zeigen, dass es möglich ist“, sagte Matsunami. „Wir können deutlicher sehen, welche Hürden zu nehmen sind, damit die Gemeinschaft ein solches Gerät entwickeln kann.“

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