Elke dag, duizenden getrainde K9-honden ruiken verdovende middelen, explosieven en vermiste mensen in de Verenigde Staten. Deze honden zijn van onschatbare waarde voor de veiligheid, maar ze zijn ook erg duur en ze kunnen moe worden.

Duke-onderzoekers hebben de eerste stappen gezet in de richting van het bouwen van een kunstmatig "robotneus" -apparaat gemaakt van levende muiscellen dat officieren zouden kunnen gebruiken in plaats van honden.

De onderzoekers hebben een prototype ontwikkeld op basis van geurreceptoren die zijn gegroeid uit de genen van muizen die reageren op doelgeuren, inclusief de geuren van cocaïne en explosieven. Hun werk verscheen eerder deze maand in Natuurcommunicatie .

Er blijken een paar hele grote verschillen te zijn tussen het testen van dingen in een laboratoriumschaal en het testen in een echte neus.

"Dit idee van een kunstmatige neus bestaat al heel lang, " zei senior studie auteur Hiroaki Matsunami, hoogleraar moleculaire genetica en microbiologie aan de Duke School of Medicine. "De receptoren werden in de jaren negentig geïdentificeerd, maar er zijn aanzienlijke technische hindernissen om al deze receptoren te produceren en de activiteit te volgen, zodat we die in een kunstmatig apparaat kunnen gebruiken."

"E-neuzen" die nu bestaan, gebruiken verschillende chemische verbindingen om geuren te detecteren in plaats van receptorstamcellen, zei Matsunami. Hij zei dat die apparaten "niet zo goed zijn als een getrainde hond".

"Het idee is dat door gebruik te maken van de werkelijke, levende receptoren, misschien kunnen we een apparaat ontwikkelen dat lijkt op dieren, " zei Matsunami. "Niemand heeft dat nog bereikt, maar deze studie gaat in de richting van dat doel."

Menselijk, honden- en muizengenomen bevatten ongeveer 20, 000 genen, die instructies bevatten om eiwitten te maken die ruiken, smaak, gevoel, bewegen en alles doen wat ons lichaam doet. Ongeveer 5 procent van de muizengenen is geïdentificeerd als instructies om geurreceptoren te maken, zei Matsunami. In tegenstelling tot, mensen gebruiken slechts ongeveer 2 procent van hun genen om geurreceptoren te maken.

"Deze dieren investeren veel middelen voor dit doel, " zei Matsunami. "Muizen en ratten ruiken erg goed; we gebruiken gewoon geen muizen voor het detecteren van explosieven in het echte leven. Er zijn enkele praktische problemen om dat te doen."

De eerste stap van het onderzoek was het identificeren van de beste geurreceptoren om te reageren op doelgeuren zoals cocaïne of marihuana.

De onderzoekers creëerden een vloeibaar medium met moleculen die konden oplichten door reacties. Vervolgens kopieerden ze ongeveer 80 procent van de geurreceptoren van muizen, en mengde die receptoren met zeven doelgeurchemicaliën in het medium.

Ze maten de resulterende luminescentie en kozen de best presterende geurreceptoren voor het tweede deel van het onderzoek, die de activering van de receptor in realtime volgde.

Eerder onderzoek had dit gedaan door geselecteerde receptoren bloot te stellen aan geurchemicaliën in een vloeistof. Maar er zijn verschillende verschillen tussen de petrischaal en de neus. Voor een, we dompelen onze neus zelden onder in vloeibare baden van geurchemicaliën. In plaats daarvan, onze neuzen detecteren geuren van opwaaiende parfums of stank die in de lucht wordt verspreid. En onze neuzen zitten vol slijm.

Dus, voor de tweede helft van het onderzoek, die werd ondersteund door de National Institute of Health-beurzen DC014423 en DC016224 en het RealNose Project, het Defense Advanced Research Project Agency, ze probeerden na te bootsen hoe we onze neuzen gebruiken door geurstoffen bloot te stellen aan dampen en een paar enzymen.

Voor dit onderzoek testten de onderzoekers de receptoren die ze hadden gevonden tegen twee geurdampen.

"We hebben er maar twee in de krant getest, maar het toont het principe van hoe het kan worden gebruikt, ' zei Matsunami.

De onderzoekers hopen dat ze het apparaat kunnen finetunen om alle receptoren te testen op veel verschillende geuren.

"We hebben een panel van receptoren, zodat we kunnen volgen hoe verschillende receptoren verschillend reageren op verschillende geuren, inclusief degenen die qua chemische structuur op elkaar lijken of die verband kunnen houden met gebruik in de echte wereld, zoals iets dat verband houdt met explosieven of drugs, ' zei Matsunami.

De onderzoekers testten ook verschillende enzymen die je in slijm zou kunnen vinden om te zien hoe ze reacties hielpen of belemmerden. Dit proces is natuurgetrouwer dan dampmoleculen die rechtstreeks interageren met geurreceptoren.

"Je zou denken als we een chemische stof ruiken, de chemische stof zou binden aan de chemische receptor in de neus, maar eigenlijk is het niet zo eenvoudig, " zei Matsunami. "Als de chemische stof oplost in het neusslijm voordat het zich aan de receptor bindt, het kan worden omgezet in een andere chemische stof door enzymen in het neusslijm."

Slijm is een onbekende grens om te begrijpen hoe we ruiken. Het reconstrueren van de belangrijkste componenten van neusslijm kan de volgende stap zijn in de richting van het bouwen van een kunstmatige neus, volgens het papier.

"Het is niet zo dat ons papier binnenkort wordt toegepast op een draagbaar apparaat dat op de luchthaven wordt gebruikt, maar dit is een belangrijke stap voorwaarts om te laten zien dat het mogelijk is, "Zei Matsunami. "We kunnen duidelijker zien welke hindernissen we moeten nemen voordat de gemeenschap zo'n apparaat kan maken."