Sztuczny nos oparty na DNA

Naukowcy znaleźli sposób na szybkie zidentyfikowanie, które sekwencje DNA są idealne do wykrywania określonego zapachu i przekształcenie wysuszonego DNA w detektory zapachów. Podczas gdy wielu naukowców pracuje nad elektronicznym nosem do wykrywania toksyn i materiałów wybuchowych, ta nowa platforma może zostać wykorzystana do stworzenia szerokiej gamy czujników przy użyciu istniejącego wysokoprzepustowego sprzętu do biologii molekularnej.

Inteligentny sniffer: Elektroniczny nos Cognicent (powyżej) wykorzystuje teraz czujniki wykonane z krótkich sekwencji jednoniciowego DNA, które mogą wykrywać toksyczne i wybuchowe substancje chemiczne w powietrzu.

Teraz możemy wziąć mikromacierz 20 000 czujników… i wybrać te czujniki, które najlepiej reagują na zapachy będące przedmiotem zainteresowania, mówi główny badacz Joel White z Świadomy , firma z siedzibą w North Grafton, MA, która produkuje urządzenia do wykrywania zapachów.

W porównaniu z technologiami czujników stworzonymi przez człowieka, opracowanymi dla wzroku i słuchu, nasza zdolność do naśladowania chemicznych zmysłów – zapachu i smaku – jest stosunkowo prymitywna. Aby wykryć materiały wybuchowe, takie jak TNT, naukowcy zazwyczaj projektują wysoce specyficzne polimery, które fluoryzują w kontakcie ze związkami docelowymi. Ale zbudowanie bardziej uogólnionej platformy elektronicznej nosa, która mogłaby wykrywać szerszy zakres chemikaliów, nie było możliwe.

W ciągu ostatniej dekady White i neuronaukowiec John Kauer z Tufts University pracują nad ulepszeniem swojego opatentowanego elektronicznego nosa, ręcznego urządzenia, które zawiera tablicę 16 typów czujników wykonanych z syntetycznych polimerów. Polimery te reagują krzyżowo, tak że kilka typów czujników może zmieniać kształt w odpowiedzi na pojedynczy zapach – konstrukcja analogiczna do ludzkiego nosa. Polimery są barwione markerem fluorescencyjnym, a wzory ich aktywacji można monitorować za pomocą optycznych czujników elektronicznych i analizować za pomocą wbudowanego mikroprocesora. Ale po 10 latach ciężkiej pracy para była w stanie wprowadzić tylko około 50 syntetycznych polimerów – znacznie mniej niż szacowane 1000 czujników w ludzkim nosie, które mogą reagować na około 10 000 różnych zapachów.

Kilka lat temu duet postanowił przetestować DNA – naturalny polimer, który jest wszechobecny w laboratoriach biologicznych, w których naukowcy spędzają większość czasu. Kiedy po raz pierwszy zaczęliśmy o tym rozmawiać z ludźmi, nikt nie wyobrażał sobie, że znakowane barwnikiem DNA wysuszone na podłożu będzie reagowało na zapachy, mówi White.

Naukowcy rozpoczęli eksperymenty w sposób przypadkowy: zbierając krótkie fragmenty jedno- i dwuniciowego DNA z sąsiednich laboratoriów w Tufts i przyglądając się ich odpowiedziom na kilka standardowych związków. Ich pierwsze eksperymenty z dwuniciowym DNA znakowanym barwnikiem dały im wskazówkę, że to podejście może działać, ale wszystkie sekwencje, których próbowali, reagowały na zapachy w ten sam sposób.

Z drugiej strony jednoniciowy DNA zapewniał powtarzalne reakcje na zapachy, a ta odpowiedź zależała od konkretnej sekwencji czterech typów nukleotydów, które składają się na kod genetyczny. Przy typowej sekwencji o długości około 20 nukleotydów zespół ma potencjał do stworzenia milionów typów czujników. W bieżącym numerze PLoS Biologia , naukowcy opisują odpowiedź zaledwie 30 sekwencji, ale White mówi, że teraz zidentyfikowali setki użytecznych sekwencji DNA, w tym jedną, która odpowiada na sygnaturę pary min lądowych zawierających TNT – niezwykłe odkrycie wskazujące na wszechstronność tej techniki.

Alan Gelperin w Filadelfii Centrum Zmysłów Chemicznych Monell wita to odkrycie jako ważny krok. Cała dziedzina została utrudniona przez brak zróżnicowanej technologii czujników, mówi. Jest to pierwsza demonstracja, że ​​[DNA] można wykorzystać w ten sposób. Od pierwszego poznania tego podejścia podczas konferencji Gelperin współpracował z fizykiem z University of Pennsylvania Charliego Johnsona aby pójść o krok dalej w tej koncepcji, wykorzystując elektroniczny odczyt wykonany z tranzystorów z nanorurek węglowych.

Na razie White mówi, że jego zespół umieścił swoje czujniki DNA obok syntetycznych polimerów w projektach docelowych, w tym w jednym urządzeniu do wykrywania gazowego amoniaku, który byłby przydatny do ostrzegania ratowników o toksycznych wyciekach lub do monitorowania zanieczyszczenia z działalności hodowlanej. Mówi, że wśród winiarzy jest nawet zainteresowanie opracowaniem urządzenia, które mogłoby pomóc w wywąchaniu podrabianych win. To była dla mnie nowość, mówi White, śmiejąc się.

ukryć