每天,成千上万训练有素的K9警犬在美国各地嗅出毒品、爆炸物和失踪人口。这些狗在安全方面是无价之宝,但它们也非常昂贵,而且它们会累。
杜克大学的研究人员已经迈出了制造人造“机器人鼻子”设备的第一步,该设备由活的老鼠细胞制成,警官可以用它来代替狗。
研究人员已经开发出一种基于气味感受器的原型,这种感受器是从对目标气味(包括可卡因和炸药的气味)有反应的老鼠的基因中生长出来的。他们的研究发表在本月早些时候的自然通讯.
事实证明,在实验室培养皿中测试和在真实的鼻子中测试有几个非常大的区别。
杜克大学医学院分子遗传学和微生物学教授、该研究的资深作者松美弘明(Hiroaki Matsunami)说:“人造鼻子的想法已经存在很长时间了。”“这些受体在20世纪90年代就被发现了,但要生产所有这些受体并监测其活性,以便我们可以在人工设备中使用,存在着重大的技术障碍。”
Matsunami说,目前存在的“电子鼻”使用各种化合物来探测气味,而不是使用受体干细胞。他说,这些设备“不如一条训练有素的狗”。
“我们的想法是,通过使用真实的、活的受体,也许我们可以开发一种类似于动物的设备,”松美说。“目前还没有人做到这一点,但这项研究正朝着这个目标迈进。”
人类、狗和老鼠的基因组包含大约2万个基因,这些基因包含创建蛋白质的指令,这些蛋白质可以嗅、尝、感觉、移动和做我们身体能做的所有事情。Matsunami说,大约5%的老鼠基因被鉴定为制造气味感受器的指令。相比之下,人类只使用大约2%的基因来制造气味感受器。
“这些动物为此投入了大量资源,”松美说。“老鼠和大鼠的嗅觉很好;我们只是在现实生活中不用老鼠来探测炸药。这样做会遇到一些实际问题。”
研究的第一步是确定对可卡因或大麻等目标气味做出反应的最佳气味感受器。
研究人员创造了一种液体介质,其中的分子可以在反应中发光。接下来,他们复制了老鼠身上80%的气味感受器,并将这些感受器与培养基中的七种目标气味化学物质混合。
他们测量了产生的发光,并为研究的第二部分选择了表现最好的气味感受器,该研究实时监测感受器的激活。
此前的研究是通过将选定的受体暴露在液体中的气味化学物质中来做到这一点的。但是培养皿和鼻子之间有几个不同之处。首先,我们很少把鼻子浸入气味化学物质的液体中。相反,我们的鼻子闻到的是飘来的香水或空气中的恶臭。我们的鼻子里充满了粘液。
因此,研究的后半段得到了美国国立卫生研究院DC014423和DC016224拨款的支持,以及美国国防高级研究项目局RealNose项目的支持,他们试图通过将气味暴露在蒸汽和一些酶中来模拟我们使用鼻子的方式。
在这项研究中,研究人员针对两种气味蒸汽测试了他们已经识别的受体。
Matsunami说:“我们在论文中只测试了其中的两种,但它证明了如何使用它的原理。”
研究人员希望能对该设备进行微调,以测试针对多种不同气味的所有感受器。
“我们有一组感受器,因此我们可以监测不同的感受器对各种气味的不同反应,包括化学结构相似的气味,或者可能与现实生活中使用有关的气味,比如与炸药或毒品有关的气味,”松美说。
研究人员还测试了粘液中可能存在的各种酶,看看它们是如何帮助或阻碍反应的。这个过程比蒸汽分子直接与气味感受器相互作用更真实。
Matsunami说:“你可能会认为,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,但实际上并没有这么简单。”“当这种化学物质在与受体结合之前溶解在鼻腔粘液中时,它可能会被鼻腔粘液中的酶转化为另一种化学物质。”
在了解我们的嗅觉方面,粘液是一个未知的前沿。根据该论文,重建鼻腔粘液的关键成分可能是构建人工鼻子的下一步。
松美说:“我们的论文不会很快应用到机场使用的便携设备上,但这是向前迈出的重要一步,表明这是可能的。”“我们可以更清楚地看到,为了让社区创造这样一种设备,需要跨越什么样的障碍。”
了下:大麻,快速原型