Nanopartikler forbedrer gresshoppers luktesans

Publisert av Platon

Følgere: 0

Illustrasjon som viser nanopartikler i en gresshoppe — Hot spots: denne fotokomposisjonen har en gresshoppe (i midten) som viser plasseringen av nanopartikler (til venstre), som er opplyst av nær-infrarødt lys (illustrert i rødt). (Med tillatelse: Singamaneni Lab/Washington University)

Ved å bruke spesialkonstruerte nanopartikler har et team av amerikanske forskere kunstig forbedret luktesansen hos gresshopper. Ledet av Srikanth Singamaneni og Barani Raman ved Washington University i St Louis, kan forskernes tilnærming føre til en ny type biologiske kjemiske sensorer.

Mange forskjellige dyr har utviklet en luktesans som overgår vår egen. Selv i dag har de nyeste designene av kjemiske sensorer ennå ikke innhentet følsomheten til biologiske luktsystemer, så vel som deres evne til å skille mellom subtilt forskjellige stoffer.

Nylig har forskere forsøkt å utnytte disse evnene i biologiske kjemiske sensorer. I utgangspunktet planla Singamanenis team å gjøre dette med gresshopper, som bærer luktapparatet deres i antennene.

Biologi gjør det harde arbeidet

"Vi lar biologien gjøre den vanskeligere jobben med å konvertere informasjon om dampkjemikalier til et elektrisk nevralt signal," forklarer Raman. "Disse signalene oppdages i insektantennene og overføres til hjernen. Vi kan plassere elektroder i hjernen, måle gresshoppenes nevrale respons på lukt, og bruke dem som fingeravtrykk for å skille mellom kjemikalier.»

Denne tilnærmingen fikk imidlertid raskt problemer. Uten å skade insektene fant Singamanenis team at de var strengt begrenset både i antall elektroder de kunne bruke, og i områdene der de kunne plasseres. Til syvende og sist betydde dette at de nevrale signalene de oppdaget var altfor svake til at systemet kunne fungere som en pålitelig kjemisk sensor.

For å overvinne denne utfordringen har forskerne utforsket hvordan gresshoppenes nevrale signaler kan forbedres ved hjelp av fototermiske nanopartikler, som er ekstremt effektive til å konvertere lys til varme. "Varme påvirker diffusjon - forestill deg å legge kald melk til varm kaffe," sier Raman. "Ideen er å bruke varmen som genereres av nanostrukturer for lokalt å varme opp og forbedre nevral aktivitet."

I dette tilfellet undersøkte teamet hvordan lokalt tilført varme kunne brukes til å kontrollere frigjøringen av nevrotransmittere. Dette er molekylene som er ansvarlige for å formidle elektriske signaler mellom nevroner i hjernen.

Smeltende voks

For å oppnå dette startet de med å innkapsle fototermiske polydopaminnanopartikler i et porøst silikabelegg. De blandet deretter strukturen med et fargestoff som inneholdt 1-tetradecanol. Sistnevnte er et voksaktig faststoff ved romtemperatur, men smelter ved bare 38 °C. Til slutt lastet de nanostrukturene med en nevrotransmitter "last" og injiserte dem i gresshoppehjerner.

For å teste tilnærmingen deres, plasserte teamet tilfeldige rekker av elektroder på gresshoppenes hoder, og overvåket nevrale signaler når de eksponerte dem for forskjellige lukter. Da de oppdaget nevrale signaler, avfyrte teamet en nær-infrarød laser på stedet der signalene dukket opp.

De fototermiske nanopartikler absorberte det nær-infrarøde lyset, og dette varmet opp den omkringliggende 1-tetradecanolen over smeltepunktet - og frigjorde strukturens nevrotransmitterlast til dens umiddelbare omgivelser.

Forbedret luktesans

Med den midlertidige overfloden av nevrotransmittere ble gresshoppenes nevrale signaler midlertidig forsterket med en faktor 10. Dette forbedret insektenes luktesans og økte også gresshoppenes nevrale aktivitet til nivåer som kunne måles langt mer nøyaktig av teamets elektrode matriser. Dette var tilfellet selv når de nanopartikler ikke ble plassert i optimale posisjoner.

Locust trommehinne er en liten frekvensanalysator

"Vår studie presenterer en generisk strategi for å reversibelt forbedre nevrale signaler på hjernestedet der vi plasserer elektrodene," forklarer Raman. Når signalforsterkning ikke lenger var nødvendig, ble de overskytende nevrotransmittermolekylene ganske enkelt brutt ned av naturlige enzymer. På lang sikt vil nanostrukturene brytes ned, og etterlate gresshoppene uskadd.

Forskerne er sikre på at deres tilnærming kan være et lovende skritt mot en ny generasjon av biologiske kjemiske sensorer.

"Det ville endre en eksisterende passiv tilnærming - der informasjon bare leses - til en aktiv, der evnene til nevrale kretser som grunnlag for informasjonsbehandling er fullt brukt," forklarer Raman. Hvis det oppnås, vil dette både øke følsomheten til kjemiske sensorer, og forbedre deres evne til å skille mellom ulike kjemikalier.

Forskningen er beskrevet i Natur Nanoteknologi.