Græshoppers lugtesans boostet med specialfremstillede nanopartikler

Vores sensoriske systemer er meget tilpasningsdygtige. En person, der ikke kan se efter at have slukket et lys om natten, opnår langsomt overlegen kraft til at se selv små genstande. Kvinder opnår ofte en øget lugtesans under graviditeten. Hvordan kan det samme sensoriske system, der var underpræsterende, også overgå forventningerne baseret på dets tidligere præstationer?

Siden naturen har perfektioneret sine sensoriske systemer over evolutionære tidsskalaer, har et tværfagligt team af forskere ved McKelvey School of Engineering ved Washington University i St. Louis udnyttet disse muligheder for at tilpasse systemet efter behov til at yde dens højeste ydeevne. Deres værktøjer til at nå dette mål:Græshopper og nanomaterialer for små til at se.

Srikanth Singamaneni og Barani Raman, begge professorer ved McKelvey School of Engineering, ledede et team, der udnyttede kraften i specialfremstillede nanostrukturer, der kan absorbere lys og skabe varme, kendt som den fototermiske effekt, og fungere som beholdere til at opbevare og frigive kemikalier på efterspørgsel. De brugte disse nanostrukturerede materialer til at øge neural respons i græshoppens hjerne til specifikke lugte og for at forbedre deres identifikation. Resultaterne af forskningen blev offentliggjort i Nature Nanotechnology 25. januar 2024.

Singamaneni, Lilyan &E. Lisle Hughes-professoren i Institut for Mekanisk Teknik og Materialevidenskab, og Raman, professor i biomedicinsk teknik, har i årevis samarbejdet med Shantanu Chakrabartty, Clifford W. Murphy-professoren i Preston M. Green Department of Electrical &Systems Engineering, for at udnytte de overlegne sansningsevner i græshoppens lugtesystem. For nylig demonstrerede de muligheden for at bruge en bio-hybrid elektronisk næse til at detektere eksplosive dampe.

"Vi lader biologien gøre det sværere arbejde med at konvertere information om dampholdige kemikalier til et elektrisk neuralt signal," sagde Raman. "Disse signaler detekteres i insektantennerne og overføres til hjernen. Vi kan placere elektroder i hjernen, måle græshoppernes neurale reaktion på lugte og bruge dem som fingeraftryk til at skelne mellem kemikalier."

Selvom ideen er sund, har den en potentiel vejspærring.

"Vi er begrænset af antallet af elektroder, og hvor vi kan placere dem," sagde Singamaneni. "Da vi kun vil få et delvist signal, ønsker vi at forstærke dette signal. Det var her, vi vendte os til varme og neuromodulation for at forbedre det signal, vi får."

I den nye forskning brugte holdet to strategier til at øge græshoppernes evne til at opdage lugte. Først skabte holdet en biokompatibel og bionedbrydelig polydopamin nanopartikel, der omdanner lys til varme gennem en proces kaldet fototermisk effekt.

"Varme påvirker diffusionen," sagde Raman. "Forestil dig at tilføje kold mælk til varm kaffe. Idéen er at bruge den varme, der genereres af nanostrukturer til lokalt at opvarme f.eks. en nanovarmer og forbedre den neurale aktivitet."

For det andet kan disse nanostrukturerede materialer fremstilles til at fylde kemikalier til opbevaring. De skal dog indkapsles af et dækkende materiale. Holdet brugte et faseændringsmateriale kaldet tetradecanol, som er fast ved stuetemperatur og overgår til væske ved opvarmning. Når de opvarmes, vil de samme nanovarmere sive de kemikalier, der er lagret i dem, ud over at generere varme.

Singamaneni og holdet opbevarede octopamin, en neuromodulator involveret i forskellige funktioner, og frigav det efter behov. Normalt frigives disse neuromodulatorer baseret på organismens behov. Men ved at bruge de nanostrukturerede varmeapparater blev de frigivet efter behov for at forbedre de neurale signaler.

"Vores undersøgelse præsenterer en generisk strategi til reversibelt at forbedre neurale signaler på det hjernested, hvor vi placerer elektroderne," sagde Raman.

"Den nanoaktiverede neuromodulationsstrategi, vi udviklede, åbner nye muligheder for at realisere skræddersyede cyborg-kemiske sensing-tilgange," sagde Prashant Gupta, en kandidatstuderende i Singamanenis laboratorium og førsteforfatter af papiret. "Denne tilgang ville ændre en eksisterende passiv tilgang, hvor information blot læses til en aktiv, hvor de neurale kredsløbs muligheder som grundlag for informationsbehandling er fuldt ud brugt."

Flere oplysninger: Prashant Gupta et al., Augmenting insekt olfaction performance through nano-neuromodulation, Nature Nanotechnology (2024). DOI:10.1038/s41565-023-01592-z

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Washington University i St. Louis