211service.com
DNA-baseret kunstig næse
Forskere har fundet en måde til hurtigt at identificere, hvilke DNA-sekvenser der er ideelle til at detektere en bestemt lugt og omdanne tørret DNA til lugtdetektorer. Mens mange forskere arbejder på en elektronisk næse til at detektere toksiner og sprængstoffer, kan denne nye platform bruges til at skabe en bred vifte af sensorer ved hjælp af eksisterende high-throughput molekylærbiologisk udstyr.
Smart sniffer: Cogniscents elektroniske næse (ovenfor) bruger nu sensorer lavet af korte sekvenser af enkeltstrenget DNA, der kan detektere giftige og eksplosive kemikalier i luften.
Hvad vi nu kan gøre, er at tage et mikroarray på 20.000 sensorer … og udvælge de sensorer, der bedst reagerer på de dufte af interesse, siger ledende forsker Joel White af Kogniscent , en virksomhed baseret i North Grafton, MA, der fremstiller lugtdetektionsanordninger.
Sammenlignet med menneskeskabte sensorteknologier udviklet til syn og hørelse, er vores evne til at efterligne de kemiske sanser – lugt og smag – relativt primitiv. For at detektere eksplosive materialer såsom TNT, designer forskere typisk meget specifikke polymerer, der fluorescerer, når de kommer i kontakt med deres målforbindelser. Men det har ikke været muligt at bygge en mere generaliseret elektronisk næseplatform, der kunne detektere en bredere vifte af kemikalier.
I løbet af det sidste årti, White og neuroforsker John Kauer fra Tufts University har arbejdet på at forbedre deres patenterede elektroniske næse, en håndholdt enhed, der indeholder en række af 16 sensortyper lavet af syntetiske polymerer. Disse polymerer er krydsreaktive, så flere sensortyper kan ændre form som reaktion på en enkelt lugt - et design analogt med den menneskelige næse. Polymererne er farvet med en fluorescerende markør, og deres aktiveringsmønstre kan overvåges via optiske elektroniske sensorer og analyseres af en indlejret mikroprocessor. Men efter 10 års hårdt arbejde havde parret kun været i stand til at inkorporere omkring 50 syntetiske polymerer - langt mindre end de anslåede 1.000 sensorer i en menneskelig næse, som kan reagere på omkring 10.000 forskellige lugte.
For flere år siden besluttede duoen at teste DNA - en naturlig polymer, der er allestedsnærværende i de biologiske laboratorier, hvor forskerne tilbringer det meste af deres tid. Da vi først begyndte at tale om det med folk, forestillede ingen sig, at farvestof-mærket DNA tørret på et substrat ville reagere på lugte, siger White.
Forskerne begyndte deres eksperimenter tilfældigt: ved at opfange korte stykker enkelt- og dobbeltstrenget DNA fra nabolaboratorier ved Tufts og se på deres svar på flere standardforbindelser. Deres første eksperimenter med farvestof-mærket dobbeltstrenget DNA gav dem et hint om, at fremgangsmåden kunne fungere, men alle de sekvenser, de prøvede, reagerede på lugte på samme måde.
Enkeltstrenget DNA på den anden side gav gentagelige reaktioner på lugte, og denne reaktion afhang af den specifikke sekvens af fire nukleotidtyper, der udgør den genetiske kode. Med en typisk sekvens på omkring 20 nukleotider lang har holdet potentialet til at skabe millioner af sensortyper. I det aktuelle nummer af PLoS Biologi , beskriver forskerne responsen fra kun 30 sekvenser, men White siger, at de nu har identificeret hundredvis af nyttige DNA-sekvenser, inklusive en, der reagerer på dampsignaturen fra TNT-holdige landminer – et usædvanligt fund, der indikerer teknikkens alsidighed.
Alan Gelperin hos Philadelphia Monell Chemical Senses Center hylder opdagelsen som et stort skridt. Hele feltet har været hæmmet af mangel på forskelligartet sensorteknologi, siger han. Dette er den første demonstration af, at [DNA] kunne bruges på denne måde. Siden den første kendskab til tilgangen under en konference, har Gelperin samarbejdet med en fysiker fra University of Pennsylvania Charlie Johnson at tage konceptet et skridt videre ved at inkorporere en elektronisk udlæsning lavet med carbon nanorør-transistorer.
For nu siger White, at hans team har inkorporeret hans DNA-sensorer sammen med de syntetiske polymerer i målrettede projekter, inklusive en enhed til at detektere ammoniakgas, hvilket ville være nyttigt til at advare beredskabspersonale ved giftige udslip eller til at overvåge forurening fra husdyrdrift. Han fortæller, at der endda er interesse blandt vinfolk for at udvikle et apparat, der kan hjælpe med at opsnuse falske vine. Det var en nyhed for mig, siger White og griner.