Датчик запаха сочетает в себе биологию и электронику

Ученые из Токийского университета объединили биологические датчики запаха с электрохимической электродной системой, чтобы создать датчик запаха.

«Датчик может определять концентрации порядка частей на миллиард», — говорят в университете. «Это примерно в тысячу раз меньше, чем чувствительность собачьего носа, но, тем не менее, это впечатляющее достижение, которое вдохновило команду на продолжение инноваций».

Активная часть — это партнерство или два рецептора примерно колбасной формы, которые обычно встречаются в клетках комаров желтой лихорадки — «обонятельный рецептор», который может обнаруживать химическое вещество, и «корецептор обонятельного рецептора», который имеет регулируемый ион канал по его длине.

Когда они лежат рядом друг с другом сквозь толщину мембраны, если обонятельный рецептор вступает в контакт с молекулой, к которой он чувствителен, он заставляет корецептор ненадолго открывать свой ионный путь, химически соединяя одну сторону мембраны. к другому.

Исследователи расположили такую ​​мембрану в виде микропористого разделителя между двумя лунками диаметром 4 мм и глубиной 3 мм, вырезанными в акриле (см. Диаграмму), каждая из которых содержит каплю жидкости и электрод.

Одной из основных инженерных задач было доставить химическое вещество запаха — в данном случае летучее органическое соединение (ЛОС) октенол — в одну из колодцев — октенол привлекателен для некоторых комаров и может присутствовать в дыхании человека.

Окончательная схема включала микрообработку решетки прорезей на дне лунки, а затем добавление фобического покрытия к решетке, чтобы капля жидкости сидела на ней, не протекая через нее, что открывало дно капли воздуху, текущему в каналах. под ним.

Была продемонстрирована быстрая передача молекул ЛОС, переносимых воздухом, в каплю, а также перемешивание жидкости проходящим воздухом, в результате чего молекулы ЛОС достигают рецепторов.

Запускаемые пары рецепторов вызвали явный скачок тока между двумя лунками до> 2 пА, который резко упал до <0,5 пА после релаксации.

Статистика концентраций означала медленное обнаружение с одной парой лунок, поэтому на одном субстрате было сделано 16 детекторов, чтобы сократить время обнаружения с минут до секунд.

«Я хотел бы расширить аналитическую сторону системы, используя какой-то искусственный интеллект», — сказал профессор Сёдзи Такеучи из лаборатории биогибридных систем в Токио. «Это может позволить нашим биогибридным сенсорам обнаруживать более сложные виды молекул. Такие уточнения могут помочь в достижении наших целей — не только измерять опасные материалы и опасность для окружающей среды, но, возможно, даже ранние стадии заболеваний по дыханию пациентов и запаху тела ».

Работа описана в четко написанном документе Science Advances « Высокочувствительные детекторы ЛОС, использующие обонятельные рецепторы насекомых, преобразованные в липидные бислои », который доступен для чтения полностью бесплатно.

Прокрутите лист до раздела «Материалы и методы», чтобы увидеть, как были созданы рецепторы — с нуля с использованием шаблона ДНК, насколько может сказать этот редактор, не являющийся биохимиком, — и как они удерживались между лунками.

Получить

рецептор, образующий управляемый лигандом ионный канал Обонятельные рецепторы рецептор, образующий управляемый лигандом ионный канал.

С помощью этой системы исследователи смогли обнаружить следы химического вещества октенол, также называемого грибным спиртом, который, как известно, привлекает комаров, в дыхании подопытного. Не только это, но

«Запахи, содержащиеся в воздухе химические сигнатуры, могут нести полезную информацию об окружающей среде или исследуемых образцах. Однако эта информация не используется должным образом из-за отсутствия сенсоров с достаточной чувствительностью и селективностью », — сказал профессор Сёдзи Такеучи из лаборатории биогибридных систем. «С другой стороны, биологические организмы чрезвычайно эффективно используют информацию об запахе. Поэтому мы решили объединить существующие биологические датчики напрямую с искусственными системами для создания высокочувствительных датчиков летучих органических соединений (ЛОС). Мы называем эти сенсоры биогибридными ».

Обострение обоняния — мощная способность, присущая многим организмам. Однако оказалось, что это сложно воспроизвести искусственным путем. Исследователи объединили биологические и инженерные элементы, чтобы создать так называемый биогибридный компонент. Их датчик летучих органических соединений может эффективно обнаруживать запахи в газообразной форме. Они надеются усовершенствовать концепцию для использования в медицинской диагностике и обнаружении опасных материалов.

бумага

В качестве сенсорного рецептора мы использовали OR с корецептором OR (OR-Orco), который представляет собой рецептор насекомых, образующий лиганд-зависимый ионный канал.

База имеет 16 пар двойных колодцев диаметром 4 мм и глубиной 3 мм,

Такеучи и его команда по сути трансплантировали набор обонятельных рецепторов насекомого в устройство, которое передает определенные запахи на рецепторы, а также считывает, как рецепторы реагируют на эти запахи. Анализ электрических сигналов от обонятельных рецепторов показывает, какие молекулы инициировали эти сигналы. Этот метод обеспечивает высокую чувствительность и возможен благодаря тому, что рецепторы физически связаны внутри липидных бислоев. В предыдущих экспериментах такой метод ограничивал способ доставки запахов к рецепторам, но команда создала эффективное решение и для этой проблемы.

«Рецепторы реагируют на молекулы в капле жидкости, поэтому одной из основных задач было создание устройства для трансплантации молекул из воздуха в эти капли», — сказал Такеучи. «Мы спроектировали и изготовили микромасштабные щели под ними, где проходит капля, чтобы вызвать этот обмен молекулами. Путем введения газа в микросщель мы смогли увеличить вероятность контакта между газом и каплей и эффективно передать целевые молекулы жидкости ».

С помощью этой системы исследователи смогли обнаружить следы химического вещества октенол, также называемого грибным спиртом, который, как известно, привлекает комаров, в дыхании подопытного. Не только это, но и датчик ЛОС может определять концентрации порядка частей на миллиард. Это примерно в тысячу раз меньше, чем чувствительность собачьего носа, но, тем не менее, это впечатляющее достижение, которое вдохновило команду на продолжение инноваций.