Каждый день тысячи обученных собак K9 вынюхивают наркотики, взрывчатые вещества и пропавших без вести по всей территории Соединенных Штатов. Эти собаки бесценны с точки зрения безопасности, но они также очень дороги и могут устать.
Исследователи Дьюка сделали первые шаги к созданию искусственного «робота-носа» из клеток живых мышей, которое полицейские могли бы использовать вместо собак.
Исследователи разработали прототип, основанный на обонятельных рецепторах, выращенных из генов мышей, которые реагируют на целевые запахи, включая запахи кокаина и взрывчатых веществ. Их работа появилась в начале этого месяца в Nature Communications..
Оказывается, есть пара очень больших различий между тестированием вещей в лабораторной посуде и тестированием их в реальном носу.
«Идея искусственного носа существовала уже давно», - сказал старший автор исследования Хироаки Мацунами, профессор молекулярной генетики и микробиологии в Медицинской школе Дьюка. «Рецепторы были идентифицированы в 1990-х годах, но существуют серьезные технические препятствия для производства всех этих рецепторов и мониторинга активности, чтобы мы могли использовать их в искусственном устройстве».
По словам Мацунами, существующие в настоящее время «электронные носы» используют различные химические соединения для обнаружения запахов вместо рецепторных стволовых клеток. Он сказал, что эти устройства «не так хороши, как дрессированные собаки».
«Идея состоит в том, что, используя настоящие живые рецепторы, мы, возможно, сможем разработать устройство, похожее на животных», - сказал Мацунами. «Никто еще не достиг этого, но это исследование движется к этой цели».
Геномы человека, собаки и мыши содержат около 20 000 генов, которые содержат инструкции для создания белков, которые пахнут, пробуют, чувствуют, двигаются и делают все, что делает наш организм. По словам Мацунами, около 5 процентов генов мышей были идентифицированы как инструкции для создания рецепторов запаха. Напротив, люди используют только около 2 процентов своих генов для создания рецепторов запаха.
«Эти животные вкладывают много ресурсов для этой цели», - сказал Мацунами. «Мыши и крысы очень хорошо нюхают, просто мы не используем мышей для обнаружения взрывчатых веществ в реальной жизни. Для этого есть некоторые практические проблемы».
На первом этапе исследования было выявлено, какие обонятельные рецепторы лучше всего реагируют на целевые запахи, такие как кокаин или марихуана.
Исследователи создали жидкую среду, заполненную молекулами, которые могли светиться в результате реакций. Затем они скопировали около 80 процентов обонятельных рецепторов у мышей и смешали эти рецепторы с семью целевыми запаховыми химическими веществами в среде.
Они измерили результирующую люминесценцию и выбрали наиболее эффективные рецепторы запаха для второй части исследования, в ходе которого отслеживалась активация рецепторов в режиме реального времени.
Предыдущие исследования сделали это, подвергая выбранные рецепторы химическим веществам запаха в жидкости. Но есть несколько различий между чашкой Петри и носом. Во-первых, мы редко погружаем нос в жидкие ванны с химическими запахами. Вместо этого наши носы улавливают запахи духов или зловоние в воздухе. И наши носы полны слизи.
Итак, во второй половине исследования, которое было поддержано грантами Национального института здравоохранения DC014423 и DC016224 и проектом Агентства перспективных исследований Министерства обороны США RealNose Project, они попытались имитировать то, как мы используем наши носы, подвергая воздействию одорантов. к парам и некоторым ферментам.
Исследователи протестировали рецепторы, которые они идентифицировали, против двух паров запаха для этого исследования.
«Мы протестировали только два из них в статье, но это показывает доказательство того, как их можно использовать», - сказал Мацунами.
Исследователи надеются, что смогут точно настроить устройство для проверки всех рецепторов на различные запахи.
У нас есть панель рецепторов, поэтому мы можем отслеживать, как разные рецепторы по-разному реагируют на различные запахи, в том числе те, которые похожи друг на друга по химической структуре или те, которые могут быть связаны с реальным использованием, например связанных со взрывчаткой или наркотиками», - сказал Мацунами.
Исследователи также проверили различные ферменты, которые можно найти в слизи, чтобы увидеть, как они способствуют или препятствуют реакциям. Этот процесс более реалистичен, чем непосредственное взаимодействие молекул пара с рецепторами запаха.
«Можно подумать, что когда мы чувствуем запах химического вещества, оно связывается с химическим рецептором в носу, но на самом деле все не так просто», - сказал Мацунами. «Когда химическое вещество растворяется в носовой слизи до связывания с рецептором, оно может быть преобразовано в другое химическое вещество ферментами в носовой слизи."
Слизь - это неизвестный рубеж в понимании того, как мы пахнем. Согласно статье, реконструкция ключевых компонентов носовой слизи может стать следующим шагом к созданию искусственного носа.
«Не факт, что наша бумага будет немедленно применена к портативному устройству, используемому в аэропорту, в ближайшее время, но это важный шаг вперед, чтобы показать, что это возможно», - сказал Мацунами. «Мы можем более четко увидеть, какие препятствия необходимо преодолеть, чтобы сообщество могло создать такое устройство».