Nanopartículas melhoram o olfato dos gafanhotos

Republicado por Platão

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Ilustração mostrando nanopartículas em um gafanhoto — Pontos quentes: esta composição fotográfica apresenta um gafanhoto (centro) mostrando a localização das nanopartículas (esquerda), que são iluminadas por luz infravermelha próxima (ilustrada em vermelho). (Cortesia: Laboratório Singamaneni/Universidade de Washington)

Usando nanopartículas especialmente projetadas, uma equipe de pesquisadores norte-americanos melhorou artificialmente o sentido do olfato nos gafanhotos. Liderado por Srikanth Singamaneni e Barani Raman na Universidade de Washington, em St Louis, a abordagem dos pesquisadores pode levar a um novo tipo de sensores químicos biológicos.

Muitos animais diferentes desenvolveram um olfato que supera em muito o nosso. Ainda hoje, os designs mais recentes de sensores químicos ainda não conseguiram alcançar a sensibilidade dos sistemas olfativos biológicos, bem como a sua capacidade de distinguir entre substâncias sutilmente diferentes.

Recentemente, os pesquisadores tentaram aproveitar essas habilidades em sensores químicos biológicos. Inicialmente, a equipe de Singamaneni planejou fazer isso com gafanhotos, que carregam seu aparelho olfativo nas antenas.

A biologia faz o trabalho duro

“Deixamos a biologia fazer o trabalho mais difícil de converter informações sobre produtos químicos vaporosos em um sinal elétrico neural”, explica Raman. “Esses sinais são detectados nas antenas dos insetos e transmitidos ao cérebro. Podemos colocar eletrodos no cérebro, medir a resposta neural dos gafanhotos aos odores e usá-los como impressões digitais para distinguir entre produtos químicos.”

Esta abordagem rapidamente encontrou dificuldades, no entanto. Sem prejudicar os insetos, a equipe de Singamaneni descobriu que eles eram estritamente limitados tanto no número de eletrodos que podiam usar quanto nas regiões onde podiam ser colocados. Em última análise, isso significava que os sinais neurais detectados eram fracos demais para que o sistema atuasse como um sensor químico confiável.

Para superar este desafio, os investigadores exploraram como os sinais neurais dos gafanhotos poderiam ser melhorados com a ajuda de nanopartículas fototérmicas, que são extremamente eficientes na conversão de luz em calor. “O calor afeta a difusão – imagine adicionar leite frio ao café quente”, diz Raman. “A ideia é usar o calor gerado pelas nanoestruturas para aquecer localmente e aumentar a atividade neural.”

Neste caso, a equipe examinou como o calor aplicado localmente poderia ser usado para controlar a liberação de neurotransmissores. Estas são as moléculas responsáveis pela transmissão de sinais elétricos entre os neurônios do cérebro.

Cera derretida

Para conseguir isso, eles começaram envolvendo nanopartículas fototérmicas de polidopamina em um revestimento poroso de sílica. Eles então misturaram a estrutura com um corante contendo 1-tetradecanol. Este último é um sólido ceroso à temperatura ambiente, mas derrete a apenas 38 °C. Finalmente, eles carregaram as nanoestruturas com uma “carga” de neurotransmissor e as injetaram nos cérebros dos gafanhotos.

Para testar a sua abordagem, a equipa colocou conjuntos aleatórios de eléctrodos nas cabeças dos gafanhotos e monitorizou os seus sinais neurais quando os expôs a diferentes odores. Ao detectar sinais neurais, a equipe disparou um laser infravermelho próximo no local onde os sinais apareceram.

As nanopartículas fototérmicas absorveram a luz infravermelha próxima e isso aqueceu o 1-tetradecanol circundante acima do seu ponto de fusão – liberando a carga de neurotransmissores da estrutura em seu entorno imediato.

Olfato aprimorado

Com a abundância temporária de neurotransmissores, os sinais neurais dos gafanhotos foram temporariamente amplificados por um fator de 10. Isso melhorou o olfato dos insetos e também aumentou a atividade neural dos gafanhotos para níveis que poderiam ser medidos com muito mais precisão pelo eletrodo da equipe. matrizes. Este foi o caso mesmo quando as nanopartículas não foram colocadas em posições ideais.

Locust tímpano é um pequeno analisador de frequência

“Nosso estudo apresenta uma estratégia genérica para melhorar reversivelmente os sinais neurais no local do cérebro onde colocamos os eletrodos”, explica Raman. Quando a amplificação do sinal não era mais necessária, o excesso de moléculas de neurotransmissores era simplesmente decomposto por enzimas naturais. A longo prazo, as nanoestruturas irão biodegradar-se, deixando os gafanhotos ilesos.

Os investigadores estão confiantes de que a sua abordagem pode ser um passo promissor em direção a uma nova geração de sensores químicos biológicos.

“Isso mudaria uma abordagem passiva existente – onde a informação é simplesmente lida – para uma abordagem ativa, onde as capacidades dos circuitos neurais como base para o processamento de informações são totalmente utilizadas”, explica Raman. Se alcançado, isto aumentaria a sensibilidade dos sensores químicos e melhoraria a sua capacidade de diferenciar entre diferentes produtos químicos.

A pesquisa é descrita em Nature Nanotechnology.