15.01.2021 - University of Tokyo

Wie kann Ihr Computer riechen?

Forscher schaffen einen hochempfindlichen biohybriden Geruchssensor

Ein ausgeprägter Geruchssinn ist eine starke Fähigkeit, die viele Organismen besitzen. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, ihn mit künstlichen Mitteln zu replizieren. Die Forscher kombinierten biologische und künstliche Elemente, um ein sogenanntes biohybrides Bauteil zu schaffen. Ihr Sensor für flüchtige organische Verbindungen kann Gerüche in gasförmiger Form effektiv erkennen. Sie hoffen, das Konzept für den Einsatz in der medizinischen Diagnose und bei der Erkennung von Gefahrstoffen zu verfeinern.

Elektronische Geräte wie Kameras, Mikrofone und Drucksensoren ermöglichen es Maschinen, ihre Umgebung optisch, akustisch und physikalisch zu erfassen und zu quantifizieren. Unser Geruchssinn jedoch, obwohl er einer der ursprünglichsten Sinne der Natur ist, hat sich als sehr schwierig erwiesen, künstlich nachzubilden. Die Evolution hat diesen Sinn über Millionen von Jahren verfeinert, und die Forscher arbeiten hart daran, diesen Rückstand aufzuholen.

"Gerüche, chemische Signaturen in der Luft, können nützliche Informationen über untersuchte Umgebungen oder Proben enthalten. Diese Informationen werden jedoch nicht gut genutzt, da es an Sensoren mit ausreichender Empfindlichkeit und Selektivität fehlt", sagt Professor Shoji Takeuchi vom Biohybrid Systems Laboratory an der Universität Tokio. "Auf der anderen Seite nutzen biologische Organismen Geruchsinformationen äußerst effizient. Deshalb haben wir beschlossen, bestehende biologische Sensoren direkt mit künstlichen Systemen zu kombinieren, um hochempfindliche Sensoren für flüchtige organische Verbindungen (VOC) zu schaffen. Wir nennen diese biohybriden Sensoren."

Takeuchi und sein Team pfropften im Wesentlichen einen Satz von Geruchsrezeptoren eines Insekts in ein Gerät, das die Rezeptoren mit bestimmten Gerüchen füttert und auch liest, wie die Rezeptoren auf diese Gerüche reagieren. Die Analyse der elektrischen Signale von den Geruchsrezeptoren zeigt an, welche Moleküle die Signale ausgelöst haben. Diese Methode ist sehr empfindlich und wird durch die Art und Weise ermöglicht, wie die Rezeptoren in Lipid-Doppelschichten physikalisch gebunden sind. In früheren Experimenten schränkte eine solche Methode die Art und Weise ein, wie Gerüche an die Rezeptoren geliefert werden können, aber das Team schuf auch für dieses Problem eine effiziente Lösung.

"Die Rezeptoren reagieren auf Moleküle in einem flüssigen Tröpfchen, also war eine der größten Herausforderungen, ein Gerät zu bauen, um Moleküle aus der Luft in diese Tröpfchen zu verpflanzen", sagt Takeuchi. "Wir haben mikroskalige Schlitze entworfen und hergestellt, unter denen das Tröpfchen durchläuft, um diesen Austausch von Molekülen zu erzwingen. Indem wir das Gas in den Mikrospalt einführten, konnten wir die Kontaktwahrscheinlichkeit zwischen dem Gas und dem Tröpfchen erhöhen und die Zielmoleküle effizient in die Flüssigkeit übertragen."

Mit diesem System waren die Forscher in der Lage, Spuren der Chemikalie Octenol, auch Pilzalkohol genannt, die dafür bekannt ist, Mücken anzulocken, im Atem einer Testperson nachzuweisen. Und nicht nur das: Der VOC-Sensor konnte Konzentrationen in der Größenordnung von Teilen pro Milliarde erkennen. Das ist etwa tausendmal weniger als die Empfindlichkeit einer Hundenase, aber dennoch eine beeindruckende Leistung, die das Team zu weiteren Innovationen inspiriert hat.

"Ich würde gerne die analytische Seite des Systems erweitern, indem wir eine Art von KI einsetzen. Das könnte es unseren biohybriden Sensoren ermöglichen, komplexere Arten von Molekülen zu erkennen", sagt Takeuchi. "Solche Verfeinerungen könnten uns dabei helfen, nicht nur gefährliche Stoffe und Umweltgefahren zu messen, sondern vielleicht sogar frühe Stadien von Krankheiten anhand des Atems und Körpergeruchs von Patienten."

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