Las nanopartículas mejoran el sentido del olfato de las langostas

Reeditado por Platón

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Ilustración que muestra nanopartículas en una langosta — Puntos calientes: esta composición fotográfica tiene una langosta (centro) que muestra la ubicación de las nanopartículas (izquierda), que están iluminadas por luz infrarroja cercana (ilustrada en rojo). (Cortesía: Laboratorio Singamaneni/Universidad de Washington)

Utilizando nanopartículas especialmente diseñadas, un equipo de investigadores estadounidenses ha mejorado artificialmente el sentido del olfato en las langostas. Dirigido por Srikanth Singamaneni y Barani raman En la Universidad de Washington en St Louis, el enfoque de los investigadores podría conducir a un nuevo tipo de sensores químicos biológicos.

Muchos animales diferentes han desarrollado un sentido del olfato que supera ampliamente al nuestro. Incluso hoy en día, los últimos diseños de sensores químicos aún tienen que alcanzar la sensibilidad de los sistemas olfativos biológicos, así como su capacidad para distinguir entre sustancias sutilmente diferentes.

Recientemente, los investigadores han intentado aprovechar estas capacidades en sensores químicos biológicos. Inicialmente, el equipo de Singamaneni planeó hacer esto con langostas, que llevan su aparato olfativo en sus antenas.

La biología hace el trabajo duro.

"Dejamos que la biología haga el trabajo más difícil de convertir la información sobre sustancias químicas vaporosas en una señal neuronal eléctrica", explica Raman. “Estas señales se detectan en las antenas de los insectos y se transmiten al cerebro. Podemos colocar electrodos en el cerebro, medir la respuesta neuronal de las langostas a los olores y utilizarlos como huellas dactilares para distinguir entre sustancias químicas”.

Sin embargo, este enfoque pronto tropezó con dificultades. Sin dañar a los insectos, el equipo de Singamaneni descubrió que estaban estrictamente limitados tanto en la cantidad de electrodos que podían usar como en las regiones donde podían colocarse. En última instancia, esto significó que las señales neuronales que detectaron eran demasiado débiles para que el sistema actuara como un sensor químico confiable.

Para superar este desafío, los investigadores han explorado cómo se podrían mejorar las señales neuronales de las langostas con la ayuda de nanopartículas fototérmicas, que son extremadamente eficientes para convertir la luz en calor. "El calor afecta la difusión; imagine agregar leche fría al café caliente", dice Raman. "La idea es utilizar el calor generado por las nanoestructuras para calentar localmente y mejorar la actividad neuronal".

En este caso, el equipo examinó cómo se podría utilizar el calor aplicado localmente para controlar la liberación de neurotransmisores. Estas son las moléculas responsables de transmitir señales eléctricas entre las neuronas del cerebro.

cera derretida

Para lograrlo, comenzaron encerrando nanopartículas fototérmicas de polidopamina en un recubrimiento de sílice poroso. Luego mezclaron la estructura con un tinte que contenía 1-tetradecanol. Este último es un sólido ceroso a temperatura ambiente, pero se funde a sólo 38 °C. Finalmente, cargaron las nanoestructuras con una “carga” de neurotransmisor y las inyectaron en cerebros de langosta.

Para probar su método, el equipo colocó series aleatorias de electrodos en las cabezas de las langostas y monitoreó sus señales neuronales cuando las exponían a diferentes olores. Cuando detectaron señales neuronales, el equipo disparó un láser de infrarrojo cercano en el lugar donde aparecían las señales.

Las nanopartículas fototérmicas absorbieron la luz infrarroja cercana y esto calentó el 1-tetradecanol circundante por encima de su punto de fusión, liberando la carga de neurotransmisores de la estructura a su entorno inmediato.

Sentido del olfato mejorado

Con la abundancia temporal de neurotransmisores, las señales neuronales de las langostas se amplificaron temporalmente en un factor de 10. Esto mejoró el sentido del olfato de los insectos y también impulsó la actividad neuronal de las langostas a niveles que podrían medirse con mucha más precisión mediante el electrodo del equipo. matrices. Este fue el caso incluso cuando las nanopartículas no se colocaron en posiciones óptimas.

El tímpano de langosta es un pequeño analizador de frecuencia

"Nuestro estudio presenta una estrategia genérica para mejorar de forma reversible las señales neuronales en el sitio del cerebro donde colocamos los electrodos", explica Raman. Cuando ya no era necesaria la amplificación de la señal, las enzimas naturales simplemente descomponían el exceso de moléculas de neurotransmisores. A largo plazo, las nanoestructuras se biodegradarán, dejando a las langostas ilesas.

Los investigadores confían en que su enfoque podría ser un paso prometedor hacia una nueva generación de sensores químicos biológicos.

"Esto cambiaría un enfoque pasivo existente, donde la información simplemente se lee, por uno activo, donde se utilizan plenamente las capacidades de los circuitos neuronales como base para el procesamiento de la información", explica Raman. Si se logra, esto aumentaría la sensibilidad de los sensores químicos y mejoraría su capacidad para diferenciar entre diferentes sustancias químicas.

La investigación se describe en Naturaleza Nanotecnología.