Nanopartiklar förstärker gräshopparnas luktsinne – Physics World

Med hjälp av specialtillverkade nanopartiklar har ett team av amerikanska forskare på konstgjord väg förbättrat luktsinnet hos gräshoppor. Ledd av Srikanth Singamaneni och Barani Raman vid Washington University i St Louis kan forskarnas tillvägagångssätt leda till en ny typ av biologiska kemiska sensorer.

Många olika djur har utvecklat ett luktsinne som avsevärt överträffar vårt eget. Än idag har de senaste designerna av kemiska sensorer ännu inte kommit ikapp känsligheten hos biologiska luktsystem, såväl som deras förmåga att skilja mellan subtilt olika ämnen.

Nyligen har forskare försökt utnyttja dessa förmågor i biologiska kemiska sensorer. Från början planerade Singamanenis team att göra detta med gräshoppor, som bär sin luktapparat i sina antenner.

Biologin gör det hårda arbetet

"Vi låter biologin göra det svårare jobbet att omvandla information om ångformiga kemikalier till en elektrisk neural signal", förklarar Raman. "Dessa signaler detekteras i insektsantennerna och överförs till hjärnan. Vi kan placera elektroder i hjärnan, mäta gräshoppornas neurala svar på lukter och använda dem som fingeravtryck för att skilja mellan kemikalier.”

Detta tillvägagångssätt stötte dock snabbt på svårigheter. Utan att skada insekterna fann Singamanenis team att de var strikt begränsade både i antalet elektroder de kunde använda och i de regioner där de kunde placeras. I slutändan innebar detta att de neurala signalerna de upptäckte var alldeles för svaga för att systemet skulle fungera som en pålitlig kemisk sensor.

För att övervinna denna utmaning har forskarna undersökt hur gräshoppornas neurala signaler kan förbättras med hjälp av fototermiska nanopartiklar, som är extremt effektiva för att omvandla ljus till värme. "Värme påverkar diffusionen - tänk dig att tillsätta kall mjölk till varmt kaffe", säger Raman. "Tanken är att använda värmen som genereras av nanostrukturer för att lokalt värma och förbättra neural aktivitet."

I det här fallet undersökte teamet hur lokalt applicerad värme kunde användas för att kontrollera frisättningen av neurotransmittorer. Dessa är de molekyler som är ansvariga för att förmedla elektriska signaler mellan neuroner i hjärnan.

Smältande vax

För att uppnå detta började de med att kapsla in fototermiska polydopaminnanopartiklar i en porös kiseldioxidbeläggning. De blandade sedan strukturen med ett färgämne innehållande 1-tetradekanol. Den senare är en vaxartad fast substans vid rumstemperatur, men smälter vid bara 38 °C. Slutligen laddade de nanostrukturerna med en neurotransmittor "last" och injicerade dem i gräshoppshjärnor.

För att testa deras tillvägagångssätt placerade teamet slumpmässiga uppsättningar av elektroder på gräshoppornas huvuden och övervakade deras neurala signaler när de exponerade dem för olika lukter. När de upptäckte neurala signaler avfyrade teamet sedan en nära-infraröd laser på platsen där signalerna dök upp.

De fototermiska nanopartiklarna absorberade det nära-infraröda ljuset och detta värmde upp den omgivande 1-tetradekanolen över dess smältpunkt – vilket släppte ut strukturens signalsubstanslast i dess omedelbara omgivning.

Förbättrat luktsinne

Med det tillfälliga överflödet av signalsubstanser förstärktes gräshoppornas neurala signaler tillfälligt med en faktor 10. Detta förbättrade insekternas luktsinne och höjde också gräshoppornas neurala aktivitet till nivåer som kunde mätas mycket mer exakt med teamets elektrod matriser. Detta var fallet även när nanopartiklarna inte placerades i optimala positioner.

Locust trumhinnan är en liten frekvensanalysator

"Vår studie presenterar en generisk strategi för att reversibelt förbättra neurala signaler på den plats i hjärnan där vi placerar elektroderna," förklarar Raman. När signalförstärkning inte längre krävdes, bröts överskottet av neurotransmittormolekyler helt enkelt ned av naturliga enzymer. På lång sikt kommer nanostrukturerna att brytas ned biologiskt och lämna gräshopporna oskadda.

Forskarna är övertygade om att deras tillvägagångssätt kan vara ett lovande steg mot en ny generation av biologiska kemiska sensorer.

"Det skulle förändra ett befintligt passivt tillvägagångssätt - där information helt enkelt läses - till en aktiv, där neurala kretsars förmåga som grund för informationsbehandling används fullt ut", förklarar Raman. Om det uppnås skulle detta både öka känsligheten hos kemiska sensorer och förbättra deras förmåga att skilja mellan olika kemikalier.

Forskningen beskrivs i Natur nanoteknik.

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrka dig själv. Tillgång här.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Platoesg. Kol, CleanTech, Energi, Miljö, Sol, Avfallshantering. Tillgång här.
• PlatoHealth. Biotech och kliniska prövningar Intelligence. Tillgång här.
• Källa: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/