动物干细胞用于制造“电子鼻” 用于检测爆炸物毒品和其他违禁品

2018年11月20日14:35:33 发表评论
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每天,成千上万训练有素的K9狗在美国各地嗅出毒品,爆炸物和失踪人员。这些狗对于安全是非常宝贵的,但它们也非常昂贵并且它们可能会感到疲…

每天,成千上万训练有素的K9狗在美国各地嗅出毒品,爆炸物和失踪人员。这些狗对于安全是非常宝贵的,但它们也非常昂贵并且它们可能会感到疲倦。杜克大学的研究人员迈出了建立一个人造“机器人鼻子”装置的第一步,该装置由活细胞制成,可供人员使用而不是狗。研究人员开发了一种基于气味受体的原型,这种气味受体来自对小鼠的基因,这些基因对目标气味有反应,包括可卡因和爆炸物的气味。

事实证明,在实验室培训中测试事物和在实际鼻子中测试它们之间存在一些非常大的差异。“这种人工鼻子的想法已经存在了很长时间,”高级研究作者,杜克医学院分子遗传学和微生物学教授Hiroaki Matsunami说。“这些受体是在20世纪90年代发现的,但生产所有这些受体并监测活性存在重大技术障碍,因此我们可以在人工装置中使用它。”Matsunami说,现在存在的“电子鼻”使用各种化合物来检测气味而不是受体干细胞。他说这些设备“不如训练有素的狗”。“我们的想法是,通过使用实际的,活的受体,也许我们可以开发出类似于动物的装置,”Matsunami说。“目前还没有人实现这一目标,但这项研究正朝着这一目标迈进。”

人类,狗和小鼠基因组包含大约20,000个基因,其中包含创建蛋白质的指令,这些蛋白质可以闻到,尝试,感觉,移动并完成我们身体所做的一切。Matsunami说,大约5%的小鼠基因被确定为制造气味受体的指令。相比之下,人类仅使用约2%的基因来制造气味受体。“这些动物为此目的投入了大量资源,”Matsunami说。“老鼠和老鼠是非常好的嗅觉器;我们只是不用老鼠来检测现实生活中的爆炸物。有一些实际问题要做。”该研究的第一步是确定最佳的气味受体,以响应目标气味,如可卡因或大麻。

研究人员创造了一种液体培养基,其中含有可以从反应中点亮的分子。接下来,他们复制了大约80%的小鼠气味受体,并将这些受体与培养基中的七种目标气味化学物质混合。他们测量了所产生的发光,并为研究的第二部分选择了性能最佳的气味受体,该部分实时监测受体激活。以前的研究是通过将选定的受体暴露于液体中的气味化学物质来完成的。但是培养皿和鼻子之间存在一些差异。首先,我们很少将我们的鼻子浸入气味化学品的液体浴中。相反,我们的鼻子可以检测出漂浮在空气中的香水或硬纱上的气味。而我们的鼻子里充满了粘液。

因此,在国家卫生研究院拨款DC014423和DC016224以及国防高级研究计划机构RealNose项目支持的研究的后半部分,他们试图模仿我们如何通过将气味暴露于蒸气和一些气体来使用我们的鼻子酶。研究人员测试了他们鉴定的受体对这项研究的两种气味蒸汽。“我们在论文中只测试了其中两个,但它显示了如何使用它的原理证明,”Matsunami说。研究人员希望他们可以对设备进行微调,以测试所有受体对抗许多不同的气味。“我们有一组受体,因此我们可以监测不同受体对各种气味的不同反应,包括化学结构相似或可能与实际使用相关的气味,如与爆炸物或药物相关的物质,“Matsunami说。

研究人员还测试了人们可能在粘液中发现的各种酶,以了解它们如何帮助或阻止反应。这个过程比直接与气味受体相互作用的蒸气分子更加真实。“你会想到,当我们闻到一种化学物质时,这种化学物质会与鼻子中的化学受体结合,但事实并非如此简单,”Matsunami说。“当化学物质在与受体结合之前溶解在鼻粘液中时,它可能会被鼻粘液中的酶转化为另一种化学物质。”在理解我们的气味方面,粘液是一个未知的前沿。据该报称,重建鼻粘液的关键成分可能是构建人工鼻子的下一步。“我们的论文不会立即应用于机场使用的便携式设备,但这是向前迈出的重要一步,表明它是可能的,”Matsunami说。“我们可以更清楚地看到通过什么样的障碍来让社区创建这样的设备。”

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