Het reukvermogen van sprinkhanen wordt versterkt met op maat gemaakte nanodeeltjes

Onze sensorische systemen zijn zeer aanpasbaar. Iemand die niet kan zien nadat hij ’s nachts het licht heeft uitgedaan, bereikt langzaam een ​​superieur vermogen om zelfs kleine voorwerpen te zien. Vrouwen bereiken vaak een verhoogd reukvermogen tijdens de zwangerschap. Hoe kan hetzelfde sensorische systeem dat ondermaats presteerde, ook de verwachtingen overtreffen op basis van zijn eerdere prestaties?

Omdat de natuur zijn sensorische systemen over evolutionaire tijdschalen heeft geperfectioneerd, heeft een interdisciplinair team van onderzoekers aan de McKelvey School of Engineering van de Washington University in St. Louis gebruik gemaakt van deze mogelijkheden om het systeem op verzoek aan te passen om topprestaties te leveren. Hun instrumenten om dit doel te bereiken: sprinkhanen en nanomaterialen die te klein zijn om te zien.

Srikanth Singamaneni en Barani Raman, beide professoren aan de McKelvey School of Engineering, leidden een team dat de kracht benutte van speciaal gemaakte nanostructuren die licht kunnen absorberen en warmte kunnen creëren, bekend als het fotothermische effect, en die kunnen fungeren als containers om chemicaliën op te slaan en vrij te geven. vraag. Ze gebruikten deze nanogestructureerde materialen om de neurale respons in de hersenen van de sprinkhaan op specifieke geuren te stimuleren en hun identificatie te verbeteren. Resultaten van het onderzoek waren gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie 25 januari 2024.

Singamaneni, de Lilyan & E. Lisle Hughes Professor aan de afdeling Mechanical Engineering & Materials Science, en Raman, hoogleraar biomedische technologie, werken al jaren samen met Shantanu Chakrabartty, de Clifford W. Murphy Professor aan de Preston M. Green Department of Electrical & Systems Engineering, om de superieure detectiemogelijkheden van het sprinkhanenreuksysteem te benutten. Onlangs hebben ze de haalbaarheid aangetoond van het gebruik van een biohybride elektronische neus voor het detecteren van explosieve dampen.

“We laten de biologie het zwaardere werk doen door informatie over dampvormige chemicaliën om te zetten in een elektrisch neuraal signaal”, zei Raman. “Deze signalen worden gedetecteerd in de insectenantennes en worden doorgegeven aan de hersenen. We kunnen elektroden in de hersenen plaatsen, de neurale reactie van de sprinkhanen op geuren meten en ze gebruiken als vingerafdrukken om onderscheid te maken tussen chemicaliën.”

Het idee, hoewel goed, heeft een potentiële wegversperring.

“We zijn beperkt door het aantal elektroden en waar we ze kunnen plaatsen”, zei Singamaneni. “Aangezien we slechts een gedeeltelijk signaal ontvangen, willen we dit signaal versterken. Dit is waar we ons tot warmte en neuromodulatie hebben gewend om het signaal dat we krijgen te versterken.”

In het nieuwe onderzoek gebruikte het team twee strategieën om het vermogen van de sprinkhanen om geuren te detecteren te vergroten. Ten eerste creëerde het team een ​​biocompatibel en biologisch afbreekbaar polydopamine nanodeeltje dat licht omzet in warmte via een proces dat fotothermisch effect wordt genoemd.

“Warmte beïnvloedt de diffusie”, zei Raman. “Stel je voor dat je koude melk toevoegt aan hete koffie. Het idee is om de warmte die door nanostructuren wordt gegenereerd te gebruiken om bijvoorbeeld een nanoverwarmer lokaal te verwarmen en de neurale activiteit te verbeteren.”

Ten tweede kunnen deze nanogestructureerde materialen worden gemaakt om chemicaliën te laden voor opslag. Ze moeten echter worden ingekapseld door een afdekmateriaal. Het team gebruikte een faseveranderingsmateriaal genaamd tetradecanol, dat vast is bij kamertemperatuur en overgaat in vloeistof bij verhitting. Bij verhitting zullen dezelfde nanoverwarmers de chemicaliën die erin zijn opgeslagen uitsijpelen, naast het genereren van warmte.

Singamaneni en het team bewaarden octopamine, een neuromodulator die betrokken is bij verschillende functies, en gaven dit op verzoek vrij. Meestal worden deze neuromodulatoren vrijgegeven op basis van de behoeften van het organisme. Met behulp van de nanogestructureerde verwarmingselementen werden ze echter op aanvraag vrijgegeven om de neurale signalen te versterken.

“Onze studie presenteert een generieke strategie om op reversibele wijze neurale signalen te verbeteren op de hersenplaats waar we de elektroden plaatsen”, aldus Raman.

“De nano-enabled neuromodulatiestrategie die we hebben ontwikkeld, opent nieuwe mogelijkheden om op maat gemaakte cyborg-chemische detectiebenaderingen te realiseren”, zegt Prashant Gupta, een afgestudeerde student in het laboratorium van Singamaneni en eerste auteur van het artikel. “Deze aanpak zou een bestaande passieve aanpak, waarbij informatie eenvoudigweg wordt ingelezen, veranderen in een actieve aanpak, waarbij de mogelijkheden van de neurale circuits als basis voor informatieverwerking volledig worden benut.”