Наносенсоры для обоняния: запах успеха
Современные врачи вскоре смогут использовать обоняние для выявления ранних признаков различных заболеваний благодаря технологии, которая воспроизводит и улучшает человеческую обонятельную систему с помощью крошечных биоэлектронных сенсоров.
Этот новый междисциплинарный подход, разработанный и испытанный исследователями из Испании, Франции и Италии при финансировании инициативы FET (Future and Emerging Technologies) программы IST Европейской комиссии, в конечном итоге приведет к созданию электронных носов на основе природных обонятельных рецепторов. Их можно будет использовать не только в здравоохранении, но и в сельском хозяйстве, промышленности, защите окружающей среды или безопасности.
«Потенциальные применения технологии обоняния бесконечны», — отмечает Жозеп Самитьер, координатор проекта SPOT-NOSED, разработавшего нанобиосенсоры, имитирующие реакцию носов человека и животных на различные запахи.
Этот новый биосенсор необычен по своей конструкции. Помещая слой белков, составляющих обонятельные рецепторы в носу животных, на микроэлектрод и измеряя реакцию при контакте белков с различными одорантами, система способна обнаруживать одоранты в концентрациях, не воспринимаемых человеком.
«Наши испытания показали, что нанобиосенсоры реагируют на несколько молекул одоранта с очень высокой степенью точности. Некоторые результаты испытаний превзошли даже наши ожидания», — говорит Самитьер. Эти крошечные биоэлектронные сенсоры, по его словам, представляют собой «огромный скачок вперед» в технологии обоняния и являются ярким примером биомиметических устройств, полученных путем конвергенции нано-био-информационных технологий.
Для того чтобы электронный нос мог обнаруживать практически любой запах, потребуются несколько сотен различных белков, которые исследователи SPOT-NOSED генетически скопировали у крыс и вырастили в дрожжах. Это необходимо, потому что разные белки реагируют на разные одоранты, и именно результирующая комбинация реакций идентифицирует определенный запах. Нанотехнологии делают такой электронный нос осуществимым, отмечает координатор, даже несмотря на то, что человеческий нос использует 1000 различных белков, чтобы позволить мозгу распознавать 10 000 различных запахов.
В то время как проект SPOT-NOSED был сосредоточен на воспроизведении физической реакции, происходящей в носу животных, партнеры проекта теперь планируют продолжить свои исследования и разработать инструментарий и программное обеспечение, необходимые для того, чтобы электронный нос распознавал запахи — роль, которую в обонятельной системе играет мозг. В этом смысле была разработана и адаптирована к атомно-силовому микроскопу новая высокоточная электронная аппаратура, способная выполнять электрические измерения на наноуровне с точностью до атофарад (10-15 Ф).
Это, по словам Самитьера, может привести к тому, что в течение нескольких лет станут коммерчески доступными медицинские приложения для диагностики органной недостаточности, бактериальных инфекций или таких заболеваний, как рак, а также устройства, которые окажут большое влияние на другие сектора. Основная задача этих новых диагностических инструментов заключается в установлении точной «обонятельной сигнатуры» болезни, понимаемой как смесь летучих соединений, концентрация которых в биологической жидкости (например, моче, крови, гное и т.д.) или в выдыхаемом воздухе изменяется у пациентов со злокачественным заболеванием по сравнению со здоровыми людьми. Более того, технология обоняния может, например, использоваться для обнаружения испорченной пищи, тестирования косметики и фармацевтических препаратов, идентификации загрязнителей или сканирования на наличие наркотиков и бомб в аэропортах, заменяя химические сенсоры, способные обнаруживать только одно вещество.