Nanocząsteczki wzmacniają zmysł węchu szarańczy

Opublikowane ponownie przez Plato

Obserwuje: 0

Ilustracja przedstawiająca nanocząstki w szarańczy — Gorące punkty: ta kompozycja zdjęć przedstawia szarańczę (w środku) pokazującą położenie nanocząstek (po lewej), które są oświetlone światłem w bliskiej podczerwieni (pokazane na czerwono). (Dzięki uprzejmości: Singamaneni Lab/Uniwersytet Waszyngtoński)

Wykorzystując specjalnie zaprojektowane nanocząsteczki, zespół amerykańskich badaczy sztucznie wzmocnił zmysł węchu szarańczy. Prowadzone przez Srikanth Singamaneni i Baraniego Ramana z Washington University w St Louis podejście badaczy może doprowadzić do powstania nowego typu biologicznych czujników chemicznych.

Wiele różnych zwierząt rozwinęło zmysł węchu, który znacznie przewyższa nasz własny. Nawet dzisiaj najnowsze konstrukcje czujników chemicznych nie dorównują jeszcze wrażliwości biologicznych układów węchowych, a także ich zdolności do rozróżniania subtelnie różnych substancji.

Ostatnio badacze podjęli próbę wykorzystania tych zdolności w biologicznych czujnikach chemicznych. Początkowo zespół Singamaneni planował to zrobić z szarańczą, która ma aparat węchowy w czułkach.

Biologia wykonuje ciężką pracę

„Pozwalamy biologii wykonać trudniejszą pracę polegającą na przekształcaniu informacji o gazowych substancjach chemicznych na elektryczny sygnał neuronowy” – wyjaśnia Raman. „Sygnały te są wykrywane w czułkach owadów i przekazywane do mózgu. Możemy umieścić elektrody w mózgu, zmierzyć reakcję neuronalną szarańczy na zapachy i wykorzystać je jako odciski palców do rozróżnienia substancji chemicznych”.

Jednak podejście to szybko napotkało trudności. Zespół Singamaneni stwierdził, że nie szkodząc owadom, są one ściśle ograniczone zarówno pod względem liczby elektrod, których mogą używać, jak i obszarów, w których można je umieścić. Ostatecznie oznaczało to, że wykryte sygnały neuronowe były zdecydowanie zbyt słabe, aby system mógł działać jako niezawodny czujnik chemiczny.

Aby stawić czoła temu wyzwaniu, naukowcy zbadali, w jaki sposób można wzmocnić sygnały neuronowe szarańczy za pomocą nanocząstek fototermicznych, które niezwykle skutecznie przekształcają światło w ciepło. „Ciepło wpływa na dyfuzję – wyobraź sobie, że do gorącej kawy dodajesz zimne mleko” – mówi Raman. „Pomysł polega na wykorzystaniu ciepła generowanego przez nanostruktury do lokalnego ogrzewania i wzmacniania aktywności neuronowej”.

W tym przypadku zespół zbadał, w jaki sposób można wykorzystać lokalnie stosowane ciepło do kontrolowania uwalniania neuroprzekaźników. Są to cząsteczki odpowiedzialne za przekazywanie sygnałów elektrycznych pomiędzy neuronami w mózgu.

Topienie wosku

Aby to osiągnąć, rozpoczęli od zamknięcia fototermicznych nanocząstek polidopaminy w porowatej powłoce krzemionkowej. Następnie zmieszali strukturę z barwnikiem zawierającym 1-tetradekanol. Ten ostatni jest woskowatym ciałem stałym w temperaturze pokojowej, ale topi się już w 38 ° C. Na koniec załadowali nanostruktury „ładunek” neuroprzekaźników i wstrzyknęli je do mózgów szarańczy.

Aby przetestować swoje podejście, zespół umieścił losowe układy elektrod na głowach szarańczy i monitorował ich sygnały neuronowe, gdy wystawiały je na działanie różnych zapachów. Po wykryciu sygnałów neuronowych zespół wystrzelił laser bliskiej podczerwieni w miejsce, w którym pojawiły się sygnały.

Nanocząstki fototermiczne pochłonęły światło bliskiej podczerwieni, które podgrzało otaczający 1-tetradekanol powyżej jego temperatury topnienia, uwalniając ładunek neuroprzekaźników ze struktury do jego bezpośredniego otoczenia.

Wzmocnione poczucie węchu

Dzięki tymczasowej obfitości neuroprzekaźników sygnały neuronowe szarańczy zostały tymczasowo wzmocnione 10-krotnie. Poprawiło to węch owadów, a także zwiększyło aktywność neuronową szarańczy do poziomu, który można było zmierzyć znacznie dokładniej za pomocą elektrody zespołu tablice. Działo się tak nawet wtedy, gdy nanocząstki nie zostały umieszczone w optymalnych pozycjach.

Błona bębenkowa szarańczy to mały analizator częstotliwości

„Nasze badanie przedstawia ogólną strategię odwracalnego wzmacniania sygnałów neuronowych w miejscu mózgu, w którym umieszczamy elektrody” – wyjaśnia Raman. Kiedy wzmocnienie sygnału nie było już potrzebne, nadmiar cząsteczek neuroprzekaźników został po prostu rozłożony przez naturalne enzymy. W dłuższej perspektywie nanostruktury ulegną biodegradacji, pozostawiając szarańczę bez szwanku.

Naukowcy są przekonani, że ich podejście może być obiecującym krokiem w kierunku nowej generacji biologicznych czujników chemicznych.

„Zmieniłoby to dotychczasowe podejście pasywne – polegające po prostu na odczytywaniu informacji – na aktywne, w którym w pełni wykorzystywane są możliwości obwodów neuronowych będących podstawą przetwarzania informacji” – wyjaśnia Raman. Jeśli zostanie to osiągnięte, zwiększy to czułość czujników chemicznych i poprawi ich zdolność do rozróżniania różnych substancji chemicznych.

Badania opisano w Natura Nanotechnologia.