อนุภาคนาโนช่วยเพิ่มการรับรู้กลิ่นของตั๊กแตน

เผยแพร่ซ้ำโดยเพลโต

ผู้ติดตาม: 0

ภาพประกอบแสดงอนุภาคนาโนในตั๊กแตน — จุดที่น่าสนใจ: การจัดองค์ประกอบภาพนี้มีตั๊กแตน (ตรงกลาง) ที่แสดงตำแหน่งของอนุภาคนาโน (ซ้าย) ซึ่งได้รับแสงสว่างจากแสงอินฟราเรดใกล้ (ภาพสีแดง) (เอื้อเฟื้อโดย: Singamaneni Lab/มหาวิทยาลัยวอชิงตัน)

ทีมนักวิจัยของสหรัฐอเมริกาใช้อนุภาคนาโนที่ได้รับการออกแบบเป็นพิเศษ โดยสามารถปรับปรุงการรับรู้กลิ่นของตั๊กแตนได้ นำโดย ศรีกันต์ สิงคะมเนนี และ บารานีรามัน ที่มหาวิทยาลัยวอชิงตันในเมืองเซนต์หลุยส์ วิธีการของนักวิจัยอาจนำไปสู่เซ็นเซอร์เคมีชีวภาพรูปแบบใหม่

สัตว์หลายชนิดได้พัฒนาประสาทรับกลิ่นซึ่งมีประสิทธิภาพเหนือกว่าเราอย่างมาก แม้กระทั่งทุกวันนี้ เซ็นเซอร์เคมีที่ออกแบบใหม่ล่าสุดยังไม่สามารถตามความไวของระบบรับกลิ่นทางชีวภาพได้ เช่นเดียวกับความสามารถในการแยกแยะระหว่างสารต่างๆ อย่างละเอียด

เมื่อเร็ว ๆ นี้ นักวิจัยได้พยายามที่จะควบคุมความสามารถเหล่านี้ในเซ็นเซอร์เคมีชีวภาพ ในตอนแรก ทีมงานของสิงกามาเนนีวางแผนที่จะทำเช่นนี้กับตั๊กแตนซึ่งมีอุปกรณ์ดมกลิ่นอยู่บนหนวด

ชีววิทยาทำงานหนัก

“เราปล่อยให้ชีววิทยาทำงานหนักขึ้นในการแปลงข้อมูลเกี่ยวกับสารเคมีที่เป็นไอระเหยให้เป็นสัญญาณประสาทไฟฟ้า” รามานอธิบาย “สัญญาณเหล่านี้ตรวจพบในหนวดแมลงและถูกส่งไปยังสมอง เราสามารถวางอิเล็กโทรดในสมอง วัดการตอบสนองทางประสาทของตั๊กแตนต่อกลิ่น และใช้เป็นลายนิ้วมือเพื่อแยกแยะระหว่างสารเคมีต่างๆ”

อย่างไรก็ตามแนวทางนี้ประสบปัญหาอย่างรวดเร็ว โดยไม่ทำอันตรายต่อแมลง ทีมของสิงกามาเนนีพบว่าพวกมันถูกจำกัดอย่างเข้มงวดทั้งในด้านจำนวนอิเล็กโทรดที่สามารถใช้ได้ และในภูมิภาคที่สามารถวางพวกมันได้ ท้ายที่สุดแล้ว นั่นหมายความว่าสัญญาณประสาทที่ตรวจพบนั้นอ่อนแอเกินกว่าที่ระบบจะทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์เคมีที่เชื่อถือได้

เพื่อเอาชนะความท้าทายนี้ นักวิจัยได้สำรวจว่าสัญญาณประสาทของตั๊กแตนสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้นด้วยความช่วยเหลือของอนุภาคนาโนความร้อนจากแสง ซึ่งมีประสิทธิภาพอย่างมากในการแปลงแสงเป็นความร้อน “ความร้อนส่งผลกระทบต่อการแพร่กระจาย ลองจินตนาการถึงการเติมนมเย็นลงในกาแฟร้อน” Raman กล่าว “แนวคิดก็คือการใช้ความร้อนที่เกิดจากโครงสร้างนาโนเพื่อให้ความร้อนในพื้นที่และเพิ่มการทำงานของระบบประสาท”

ในกรณีนี้ ทีมงานได้ตรวจสอบว่าความร้อนที่ใช้เฉพาะที่สามารถนำมาใช้ควบคุมการปล่อยสารสื่อประสาทได้อย่างไร เหล่านี้เป็นโมเลกุลที่รับผิดชอบในการส่งสัญญาณไฟฟ้าระหว่างเซลล์ประสาทในสมอง

ขี้ผึ้งละลาย

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ พวกเขาเริ่มต้นด้วยการห่อหุ้มอนุภาคนาโนโพลีโดปามีนจากความร้อนใต้แสงในการเคลือบซิลิกาที่มีรูพรุน จากนั้นจึงผสมโครงสร้างกับสีย้อมที่มี 1-tetradecanol อย่างหลังเป็นของแข็งข้าวเหนียวที่อุณหภูมิห้อง แต่จะละลายที่อุณหภูมิเพียง 38 °C ในที่สุด พวกเขาก็บรรจุโครงสร้างนาโนด้วย "สินค้า" สารสื่อประสาทและฉีดเข้าไปในสมองตั๊กแตน

เพื่อทดสอบวิธีการของพวกเขา ทีมงานได้สุ่มวางอิเล็กโทรดจำนวนหนึ่งไว้บนหัวของตั๊กแตน และติดตามสัญญาณประสาทของพวกมันเมื่อพวกมันสัมผัสกับกลิ่นที่แตกต่างกัน เมื่อตรวจพบสัญญาณประสาท ทีมงานจึงยิงเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ตรงจุดที่มีสัญญาณปรากฏขึ้น

อนุภาคนาโนความร้อนใต้พิภพดูดซับแสงอินฟราเรดใกล้และทำให้ 1-tetradecanol โดยรอบร้อนขึ้นเหนือจุดหลอมเหลว โดยปล่อยสารสื่อประสาทของโครงสร้างออกสู่บริเวณโดยรอบ

ปรับปรุงการรับรู้กลิ่น

เนื่องจากมีสารสื่อประสาทจำนวนมากชั่วคราว สัญญาณประสาทของตั๊กแตนจึงถูกขยายชั่วคราวเป็น 10 เท่า ซึ่งช่วยปรับปรุงการรับรู้กลิ่นของแมลง และยังเพิ่มการทำงานของระบบประสาทของตั๊กแตนให้อยู่ในระดับที่สามารถวัดได้แม่นยำยิ่งขึ้นด้วยอิเล็กโทรดของทีม อาร์เรย์ นี่เป็นกรณีนี้แม้ว่าอนุภาคนาโนจะไม่ได้ถูกวางในตำแหน่งที่เหมาะสมที่สุดก็ตาม

Locust eardrum เป็นเครื่องวิเคราะห์ความถี่ขนาดเล็ก

“การศึกษาของเรานำเสนอกลยุทธ์ทั่วไปในการปรับปรุงสัญญาณประสาทแบบย้อนกลับได้ที่บริเวณสมองที่เราวางอิเล็กโทรด” รามันอธิบาย เมื่อไม่จำเป็นต้องขยายสัญญาณอีกต่อไป โมเลกุลของสารสื่อประสาทส่วนเกินจะถูกย่อยโดยเอนไซม์ตามธรรมชาติ ในระยะยาว โครงสร้างนาโนจะย่อยสลายทางชีวภาพ โดยไม่ทำให้ตั๊กแตนได้รับอันตราย

นักวิจัยมั่นใจว่าแนวทางของพวกเขาอาจเป็นก้าวสำคัญสู่เซนเซอร์เคมีชีวภาพรุ่นใหม่

“มันจะเปลี่ยนแนวทางเชิงรับที่มีอยู่ – ซึ่งเพียงแค่อ่านข้อมูล – ให้เป็นแนวทางเชิงรุก โดยที่ความสามารถของวงจรประสาทที่เป็นพื้นฐานสำหรับการประมวลผลข้อมูลถูกนำมาใช้อย่างเต็มที่” Raman อธิบาย หากทำได้ จะช่วยเพิ่มความไวของเซ็นเซอร์เคมี และปรับปรุงความสามารถในการแยกความแตกต่างระหว่างสารเคมีต่างๆ

งานวิจัยได้อธิบายไว้ใน นาโนเทคโนโลยีธรรมชาติ.