Gesundheit

Forscher hoffen, dass eine Robo-Nase den K-9-Offizieren eine Pause geben könnte


Robo-NaseGolden Retriever Rudy, der militärische Erkennungsmarke und eine US-amerikanische Flagge trägt, wird von der US-Armee trainiert, um seine erstaunliche Nase zu benutzen, um einen menschlichen Überrest zu findenGutschrift: US Army

Jeden Tag schnüffeln Tausende von ausgebildeten K9-Hunden an Betäubungsmitteln, Sprengstoffen und vermissten Personen in den Vereinigten Staaten. Diese Hunde sind von unschätzbarem Wert für die Sicherheit, aber sie sind auch sehr teuer und können müde werden.

Herzogsforscher haben die ersten Schritte in Richtung eines künstlichen "Roboter-Nasensystems" unternommen, das aus lebenden Mäusezellen besteht, die Offiziere anstelle von Hunden verwenden könnten.

Die Forscher haben einen Prototyp entwickelt, der auf Geruchsrezeptoren basiert, die aus den Genen von Mäusen stammen, 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 zwischen dem Testen von Dingen in einer Laborschüssel und dem Testen in einer tatsächlichen Nase gibt.

"Diese Idee einer künstlichen Nase ist seit langem vorhanden", sagte der leitende Studienautor Hiroaki Matsunami, Professor für Molekulargenetik und Mikrobiologie an der Duke School of Medicine. "Die Rezeptoren wurden in den 1990er Jahren identifiziert, aber es gibt erhebliche technische Hürden, um alle diese Rezeptoren herzustellen und die Aktivität zu überwachen, damit wir diese in einem künstlichen Gerät einsetzen können."

"E-Nasen", die heute existieren, verwenden verschiedene chemische Verbindungen, um Gerüche anstelle von Rezeptorstammzellen zu erkennen, sagte Matsunami. Er sagte, diese Geräte seien "nicht so gut wie ein ausgebildeter Hund".

"Die Idee ist, dass wir durch die Verwendung der tatsächlichen lebenden Rezeptoren vielleicht ein Gerät entwickeln können, das Tieren ähnelt", sagte Matsunami. "Das hat bisher noch niemand erreicht, aber diese Studie geht auf dieses Ziel zu."

Das Genom von Menschen, Hunden und Mäusen enthält rund 20.000 Gene, die Anweisungen zur Herstellung von Proteinen enthalten, die riechen, schmecken, fühlen, sich bewegen und alles tun, was unser Körper tut. Matsunami sagte, dass etwa fünf Prozent der Mausgene als Anweisungen zur Herstellung von Geruchsrezeptoren identifiziert wurden. Im Gegensatz dazu verwendet der Mensch nur etwa zwei Prozent seiner Gene, um Geruchsrezeptoren herzustellen.

"Diese Tiere investieren viel Ressourcen für diesen Zweck", sagte Matsunami. „Mäuse und Ratten sind sehr gut riechend; Wir verwenden keine Mäuse zur Detektion von Sprengstoffen im wirklichen Leben. Dafür gibt es einige praktische Probleme. “

Der erste Schritt der Studie bestand darin, die besten Geruchsrezeptoren zu identifizieren, um auf Gerüche wie Kokain oder Marihuana zu reagieren.

Die Forscher schufen ein flüssiges Medium, das mit Molekülen gefüllt war, die durch Reaktionen zum Leuchten gebracht werden konnten. Anschließend kopierten sie etwa 80 Prozent der Geruchsrezeptoren von Mäusen und mischten diese Rezeptoren mit sieben Zielgeruchschemikalien im Medium.

Sie haben die resultierende Lumineszenz gemessen und für den zweiten Teil der Studie die leistungsfähigsten Geruchsrezeptoren ausgewählt, die die Rezeptoraktivierung in Echtzeit überwachten.

Bisherige Untersuchungen hatten dazu geführt, dass ausgewählte Rezeptoren Geruchschemikalien in einer Flüssigkeit ausgesetzt wurden. Es gibt jedoch einige Unterschiede zwischen der Petrischale und der Nase. Zum einen tauchen wir unsere Nasen selten in flüssige Bäder mit Geruchschemikalien. Stattdessen erkennen unsere Nasen Gerüche von schwebenden Parfüms oder Stechen, die in der Luft getragen werden. Und unsere Nasen sind voll Schleim.

In der zweiten Hälfte der Studie, die vom National Institute of Health (DC014423) und DC016224 (RealNose Project) unterstützt wurde, haben sie versucht zu simulieren, wie wir unsere Nasen verwenden, indem sie Odoriermitteln Dämpfen und einigen anderen Dämpfen aussetzen Enzyme.

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

"Wir haben nur zwei davon in der Zeitung getestet, aber es zeigt den Beweis des Prinzips, wie es verwendet werden kann", sagte Matsunami.

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

„Wir verfügen über eine Reihe von Rezeptoren, mit denen wir überwachen können, wie verschiedene Rezeptoren unterschiedlich auf verschiedene Gerüche reagieren, einschließlich solcher, die in der chemischen Struktur einander ähnlich sind, oder solche, die mit der Verwendung in der realen Welt in Verbindung stehen können, wie etwa Sprengstoff oder Drogen «, Sagte Matsunami.

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

"Sie denken, wenn wir eine Chemikalie riechen, bindet die Chemikalie an den chemischen Rezeptor in der Nase, aber eigentlich ist es nicht so einfach", sagte Matsunami. "Wenn sich die Chemikalie vor der Bindung an den Rezeptor im Nasenschleim auflöst, kann sie durch Enzyme im Nasenschleim in eine andere Chemikalie umgewandelt werden."

Schleim ist eine unbekannte Grenze, um zu verstehen, wie wir riechen. Die Rekonstruktion der Schlüsselkomponenten von Nasenschleim kann der nächste Schritt beim Aufbau einer künstlichen Nase sein.

"Es ist nicht so, dass unser Papier sofort auf ein tragbares Gerät angewendet wird, das bald am Flughafen verwendet wird. Dies ist jedoch ein wichtiger Schritt nach vorne, um zu zeigen, dass dies möglich ist", sagte Matsunami. "Wir können klarer erkennen, welche Hürden zu überwinden sind, damit die Community ein solches Gerät erstellen kann."

Drei der Autoren haben eine Patentanmeldung für die Arbeit eingereicht.

Post Comment

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.