Forskere håber, at en robo-næse kunne give K-9-officerer en pause

Hver dag, tusindvis af trænede K9-hunde snuser til narkotika, sprængstoffer og forsvundne mennesker i hele USA. Disse hunde er uvurderlige for sikkerheden, men de er også meget dyre, og de kan blive trætte.

Duke-forskere har taget de første skridt mod at bygge en kunstig "robotnæse"-anordning lavet af levende museceller, som betjente kunne bruge i stedet for hunde.

Forskerne har udviklet en prototype baseret på lugtreceptorer, der er dyrket fra gener fra mus, der reagerer på mållugte, herunder lugten af ​​kokain og sprængstoffer. Deres arbejde dukkede op tidligere på måneden i Naturkommunikation .

Det viser sig, at der er et par meget store forskelle mellem at teste ting i en laboratoriets skål og at teste dem i en egentlig næse.

"Denne idé om en kunstig næse har været til stede i lang tid, " sagde seniorstudieforfatter Hiroaki Matsunami, professor i molekylær genetik og mikrobiologi ved Duke School of Medicine. "Receptorerne blev identificeret i 1990'erne, men der er betydelige tekniske forhindringer for at producere alle disse receptorer og overvåge aktiviteten, så vi kan bruge det i en kunstig enhed."

"E-næser", der findes nu, bruger forskellige kemiske forbindelser til at detektere lugte i stedet for receptorstamceller, sagde Matsunami. Han sagde, at disse enheder "ikke er så gode som en trænet hund."

"Ideen er, at ved at bruge den faktiske, levende receptorer, måske kan vi udvikle en enhed, der ligner dyr, " sagde Matsunami. "Ingen har opnået det endnu, men denne undersøgelse bevæger sig mod det mål."

Human, hunde- og musegenomer indeholder omkring 20, 000 gener, som indeholder instruktioner til at skabe proteiner, der lugter, smag, føle, bevæge sig og gøre alt, hvad vores krop gør. Omkring 5 procent af musegenerne er blevet identificeret som instruktioner til at lave lugtreceptorer, sagde Matsunami. I modsætning, mennesker bruger kun omkring 2 procent af deres gener til at lave lugtreceptorer.

"Disse dyr investerer mange ressourcer til dette formål, " sagde Matsunami. "Mus og rotter er meget gode lugte; vi bruger bare ikke mus til at opdage sprængstoffer i det virkelige liv. Der er nogle praktiske problemer for at gøre det."

Det første trin i undersøgelsen var at identificere de bedste lugtreceptorer til at reagere på mållugte som kokain eller marihuana.

Forskerne skabte et flydende medium primet med molekyler, der kunne lyse op fra reaktioner. Dernæst kopierede de omkring 80 procent af lugtreceptorerne fra mus, og blandede disse receptorer med syv mållugtkemikalier i mediet.

De målte den resulterende luminescens og valgte de bedst ydende lugtreceptorer til anden del af undersøgelsen, som overvågede receptoraktivering i realtid.

Tidligere forskning havde gjort dette ved at udsætte udvalgte receptorer for lugtkemikalier i en væske. Men der er flere forskelle mellem petriskålen og næsen. For en, vi sænker sjældent vores næser i flydende bade af lugtkemikalier. I stedet, vores næser registrerer lugte fra svævende parfume eller stank i luften. Og vores næse er fuld af slim.

Så, for anden halvdel af undersøgelsen, som blev støttet af National Institute of Health bevillinger DC014423 og DC016224 og Defence Advanced Research Project Agency RealNose Project, de forsøgte at efterligne, hvordan vi bruger vores næser ved at udsætte lugtstoffer for dampe og nogle få enzymer.

Forskerne testede de receptorer, de havde identificeret, mod to lugtdampe til denne undersøgelse.

"Vi testede kun to af dem i avisen, men det viser principperne for, hvordan det kan bruges, " sagde Matsunami.

Forskerne håber, at de kan finjustere enheden til at teste alle receptorer mod mange forskellige lugte.

"Vi har et panel af receptorer, så vi kan overvåge, hvordan forskellige receptorer reagerer forskelligt på forskellige lugte, inklusive dem, der ligner hinanden i kemisk struktur eller dem, der kan være relateret til brug i den virkelige verden, som noget forbundet med sprængstoffer eller stoffer, " sagde Matsunami.

Forskerne testede også forskellige enzymer, som man kunne finde i slim for at se, hvordan de hjalp eller hæmmede reaktioner. Denne proces er mere naturtro end dampmolekyler, der direkte interagerer med lugtreceptorer.

"Man skulle tro, når vi lugter et kemikalie, kemikaliet vil binde sig til den kemiske receptor i næsen, men faktisk er det ikke så enkelt, " sagde Matsunami. "Når kemikaliet opløses i næseslimet før det bindes til receptoren, det kan blive omdannet til et andet kemikalie af enzymer i næseslimen."

Slim er en ukendt grænse for at forstå, hvordan vi lugter. Rekonstruering af nøglekomponenterne i næseslim kan være det næste skridt mod at opbygge en kunstig næse, ifølge avisen.

"Det er ikke sådan, at vores papir snart vil blive anvendt på en bærbar enhed, der bruges i lufthavnen, men dette er et vigtigt skridt fremad for at vise, at det er muligt, " sagde Matsunami. "Vi kan tydeligere se, hvilken slags forhindringer der skal passeres, for at samfundet kan skabe sådan en enhed."