Nanoparticles Enhance Locusts’ Sense Of Smell

Republicat de Platon

Urmaritori: 0

Ilustrație care arată nanoparticule într-o lăcustă — Puncte fierbinți: această compoziție foto are o lăcustă (centru) care arată locația nanoparticulelor (stânga), care sunt iluminate de lumină în infraroșu apropiat (ilustrată cu roșu). (Cu amabilitatea: Singamaneni Lab/Washington University)

Folosind nanoparticule special concepute, o echipă de cercetători americani a îmbunătățit artificial simțul mirosului la lăcuste. Condus de Srikanth Singamaneni și Barani Raman la Universitatea Washington din St Louis, abordarea cercetătorilor ar putea duce la un nou tip de senzori chimici biologici.

Multe animale diferite au dezvoltat un simț al mirosului care îl depășește cu mult pe al nostru. Chiar și astăzi, cele mai recente modele de senzori chimici nu au ajuns încă din urmă cu sensibilitatea sistemelor olfactive biologice, precum și cu capacitatea lor de a distinge între substanțe subtil diferite.

Recent, cercetătorii au încercat să valorifice aceste abilități în senzorii chimici biologici. Inițial, echipa lui Singamaneni a plănuit să facă acest lucru cu lăcustele, care își poartă aparatul olfactiv în antene.

Biologia face treaba grea

„Lăsăm biologia să facă treaba mai grea de a converti informațiile despre substanțele chimice vaporoase într-un semnal neural electric”, explică Raman. „Aceste semnale sunt detectate în antenele insectelor și sunt transmise creierului. Putem plasa electrozi în creier, putem măsura răspunsul neuronal al lăcustelor la mirosuri și îi putem folosi ca amprente pentru a distinge substanțele chimice.”

Cu toate acestea, această abordare a întâmpinat rapid dificultăți. Fără a dăuna insectelor, echipa lui Singamaneni a constatat că acestea erau strict limitate atât în ceea ce privește numărul de electrozi pe care îi puteau folosi, cât și în regiunile în care puteau fi amplasați. În cele din urmă, acest lucru a însemnat că semnalele neuronale pe care le-au detectat erau mult prea slabe pentru ca sistemul să acționeze ca un senzor chimic de încredere.

Pentru a depăși această provocare, cercetătorii au explorat modul în care semnalele neuronale ale lăcustelor ar putea fi îmbunătățite cu ajutorul nanoparticulelor fototermale, care sunt extrem de eficiente în transformarea luminii în căldură. „Căldura afectează difuzia – imaginați-vă că adăugați lapte rece la cafeaua fierbinte”, spune Raman. „Ideea este de a folosi căldura generată de nanostructuri pentru a încălzi local și a îmbunătăți activitatea neuronală.”

În acest caz, echipa a examinat modul în care căldura aplicată local ar putea fi utilizată pentru a controla eliberarea de neurotransmițători. Acestea sunt moleculele responsabile de transmiterea semnalelor electrice între neuronii din creier.

Ceara de topire

Pentru a realiza acest lucru, au început prin a include nanoparticule fototermale de polidopamină într-o acoperire poroasă de silice. Apoi au amestecat structura cu un colorant care conține 1-tetradecanol. Acesta din urmă este un solid ceros la temperatura camerei, dar se topește la doar 38 °C. În cele din urmă, au încărcat nanostructurile cu un neurotransmițător „încărcătură” și le-au injectat în creierul de lăcuste.

Pentru a-și testa abordarea, echipa a plasat aleatoriu rețele de electrozi pe capetele lăcustelor și le-a monitorizat semnalele neuronale atunci când le-au expus la diferite mirosuri. Când au detectat semnale neuronale, echipa a tras apoi un laser în infraroșu apropiat în locul în care au apărut semnalele.

Nanoparticulele fototermale au absorbit lumina în infraroșu apropiat și aceasta a încălzit 1-tetradecanolul din jur deasupra punctului său de topire - eliberând încărcătura de neurotransmițători a structurii în împrejurimile sale imediate.

Simțul mirosului îmbunătățit

Odată cu abundența temporară de neurotransmițători, semnalele neuronale ale lăcustelor au fost amplificate temporar cu un factor de 10. Acest lucru a îmbunătățit simțul mirosului insectelor și, de asemenea, a sporit activitatea neuronală a lăcustelor la niveluri care ar putea fi măsurate mult mai precis de electrodul echipei. matrice. Acesta a fost cazul chiar și atunci când nanoparticulele nu au fost plasate în poziții optime.

Timpanul Locust este un mic analizor de frecvență

„Studiul nostru prezintă o strategie generică pentru a îmbunătăți în mod reversibil semnalele neuronale la locul creierului în care plasăm electrozii”, explică Raman. Când amplificarea semnalului nu mai era necesară, moleculele de neurotransmițători în exces au fost pur și simplu descompuse de enzimele naturale. Pe termen lung, nanostructurile se vor biodegrada, lăsând lăcustele nevătămate.

Cercetătorii sunt încrezători că abordarea lor ar putea fi un pas promițător către o nouă generație de senzori biologici chimici.

„Ar schimba o abordare pasivă existentă – în care informația este pur și simplu citită – într-una activă, în care capabilitățile circuitelor neuronale ca bază pentru procesarea informațiilor sunt utilizate pe deplin”, explică Raman. Dacă s-ar realiza, acest lucru ar crește sensibilitatea senzorilor chimici și ar îmbunătăți capacitatea acestora de a diferenția diferitele substanțe chimice.

Cercetarea este descrisă în Natură Nanotehnologia.