211service.com
DNA-baserad konstgjord näsa
Forskare har hittat ett sätt att snabbt identifiera vilka DNA-sekvenser som är idealiska för att upptäcka en viss lukt och förvandla torkat DNA till luktdetektorer. Medan många forskare arbetar på en elektronisk näsa för att upptäcka gifter och sprängämnen, kan den här nya plattformen användas för att skapa ett brett utbud av sensorer med hjälp av befintlig molekylärbiologisk utrustning med hög genomströmning.
Smart sniffer: Cogniscents elektroniska näsa (ovan) använder nu sensorer gjorda av korta sekvenser av enkelsträngat DNA som kan upptäcka giftiga och explosiva kemikalier i luften.
Vad vi nu kan göra är att ta en mikroarray med 20 000 sensorer ... och välja ut de sensorer som bäst svarar på lukterna av intresse, säger ledande forskare Joel White av Cogniscent , ett företag baserat i North Grafton, MA, som tillverkar luktupptäcktsanordningar.
Jämfört med konstgjorda sensorteknologier utvecklade för syn och hörsel är vår förmåga att efterlikna de kemiska sinnena – lukt och smak – relativt primitiv. För att upptäcka explosiva material som TNT, designar forskare vanligtvis mycket specifika polymerer som fluorescerar när de kommer i kontakt med sina målföreningar. Men att bygga en mer generaliserad elektronisk näsplattform som kunde upptäcka ett bredare utbud av kemikalier har inte varit möjligt.
Under det senaste decenniet, White och neuroforskare John Kauer från Tufts University har arbetat med att förbättra sin patenterade elektroniska näsa, en handhållen enhet som innehåller en uppsättning av 16 sensortyper gjorda av syntetiska polymerer. Dessa polymerer är korsreaktiva, så att flera sensortyper kan ändra form som svar på en enda lukt - en design som är analog med den mänskliga näsan. Polymererna är färgade med en fluorescerande markör och deras aktiveringsmönster kan övervakas via optiska elektroniska sensorer och analyseras av en inbäddad mikroprocessor. Men efter 10 år av hårt arbete hade paret bara kunnat införliva cirka 50 syntetiska polymerer – mycket mindre än de uppskattade 1 000 sensorerna i en mänsklig näsa, som kan svara på cirka 10 000 olika lukter.
För flera år sedan bestämde sig duon för att testa DNA – en naturlig polymer som är allestädes närvarande i de biologiska laboratorierna där forskarna tillbringar större delen av sin tid. När vi först började prata om det med människor var det ingen som föreställde sig att färgämnesmärkt DNA torkat på ett substrat skulle svara på lukter, säger White.
Forskarna började sina experiment på måfå: genom att rensa korta bitar av enkel- och dubbelsträngat DNA från angränsande laboratorier på Tufts och titta på deras svar på flera standardföreningar. Deras första experiment med färgämnesmärkt dubbelsträngat DNA gav dem en hint om att tillvägagångssättet kunde fungera, men alla sekvenser de provade svarade på lukter på samma sätt.
Enkelsträngat DNA, å andra sidan, gav repeterbara svar på lukter, och detta svar berodde på den specifika sekvensen av fyra nukleotidtyper som utgör den genetiska koden. Med en typisk sekvens på cirka 20 nukleotider lång, har teamet potential att skapa miljontals sensortyper. I det aktuella numret av PLoS Biologi , beskriver forskarna svaret på bara 30 sekvenser, men White säger att de nu har identifierat hundratals användbara DNA-sekvenser, inklusive en som svarar på ångsignaturen hos TNT-innehållande landminor – ett ovanligt fynd som indikerar teknikens mångsidighet.
Alan Gelperin hos Philadelphia Monell Chemical Senses Center hyllar upptäckten som ett stort steg. Hela fältet har hindrats av brist på mångsidig sensorteknologi, säger han. Detta är den första demonstrationen av att [DNA] kan användas på detta sätt. Sedan första lärandet om tillvägagångssättet under en konferens, har Gelperin samarbetat med University of Pennsylvania fysiker Charlie Johnson att ta konceptet ett steg längre genom att införliva en elektronisk avläsning gjord med kolnanorörstransistorer.
För nu säger White att hans team har inkorporerat sina DNA-sensorer tillsammans med de syntetiska polymererna i riktade projekt, inklusive en enhet för att detektera ammoniakgas, vilket skulle vara användbart för att varna räddningspersonal vid giftiga utsläpp eller för att övervaka föroreningar från boskapsverksamhet. Han säger att det till och med finns ett intresse bland vinodlare för att utveckla en apparat som kan hjälpa till att sniffa upp förfalskade viner. Det här var en nyhet för mig, säger White och skrattar.