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Naso artificiale a base di DNA
Gli scienziati hanno trovato un modo per identificare rapidamente quali sequenze di DNA sono ideali per rilevare un particolare odore e trasformare il DNA essiccato in rilevatori di odori. Mentre molti ricercatori stanno lavorando su un naso elettronico per rilevare tossine ed esplosivi, questa nuova piattaforma potrebbe essere utilizzata per creare una vasta gamma di sensori utilizzando apparecchiature di biologia molecolare ad alto rendimento esistenti.
Sniffatore intelligente: Il naso elettronico di Cogniscent (sopra) ora utilizza sensori costituiti da brevi sequenze di DNA a filamento singolo in grado di rilevare sostanze chimiche tossiche ed esplosive nell'aria.
Ora quello che possiamo fare è prendere un microarray di 20.000 sensori... e scegliere quei sensori che rispondono meglio agli odori di interesse, afferma il ricercatore capo Joel White di cognitivo , un'azienda con sede a North Grafton, MA, che produce dispositivi di rilevamento degli odori.
Rispetto alle tecnologie dei sensori artificiali sviluppate per la vista e l'udito, la nostra capacità di imitare i sensi chimici, olfatto e gusto, è relativamente primitiva. Per rilevare materiali esplosivi come il TNT, gli scienziati in genere progettano polimeri altamente specifici che diventano fluorescenti quando entrano in contatto con i composti target. Ma costruire una piattaforma nasale elettronica più generalizzata in grado di rilevare una gamma più ampia di sostanze chimiche non è stato possibile.
Negli ultimi dieci anni, White e neuroscienziato John Kauer della Tufts University hanno lavorato per migliorare il loro naso elettronico brevettato, un dispositivo portatile che contiene una serie di 16 tipi di sensori realizzati con polimeri sintetici. Questi polimeri sono cross-reattivi, quindi diversi tipi di sensori possono cambiare forma in risposta a un singolo odore, un design analogo al naso umano. I polimeri sono colorati con un marcatore fluorescente e i loro modelli di attivazione possono essere monitorati tramite sensori elettronici ottici e analizzati da un microprocessore incorporato. Ma dopo 10 anni di duro lavoro, la coppia era stata in grado di incorporare solo circa 50 polimeri sintetici, molto meno dei 1.000 sensori stimati in un naso umano, che può rispondere a circa 10.000 odori diversi.
Diversi anni fa, il duo ha deciso di testare il DNA, un polimero naturale onnipresente nei laboratori biologici dove gli scienziati trascorrono la maggior parte del loro tempo. Quando abbiamo iniziato a parlarne con le persone, nessuno immaginava che il DNA marcato con colorante essiccato su un substrato avrebbe risposto agli odori, afferma White.
Gli scienziati hanno iniziato i loro esperimenti a casaccio: recuperando brevi frammenti di DNA a singolo e doppio filamento dai laboratori vicini di Tufts e osservando le loro risposte a diversi composti standard. I loro primi esperimenti con DNA a doppio filamento marcato con colorante hanno dato loro un suggerimento che l'approccio potrebbe funzionare, ma tutte le sequenze che hanno provato hanno risposto agli odori allo stesso modo.
Il DNA a filamento singolo, d'altra parte, ha fornito risposte ripetibili agli odori e questa risposta dipendeva dalla sequenza specifica di quattro tipi di nucleotidi che compongono il codice genetico. Con una sequenza tipica lunga circa 20 nucleotidi, il team ha il potenziale per creare milioni di tipi di sensori. Nel numero attuale di Biologia PLoS , i ricercatori descrivono la risposta di appena 30 sequenze, ma White afferma di aver identificato centinaia di sequenze di DNA utili, inclusa una che risponde alla firma del vapore delle mine terrestri contenenti TNT, una scoperta insolita che indica la versatilità della tecnica.
Alan Gelperin al Philadelphia's Centro per i sensi chimici Monell saluta la scoperta come un passo importante. L'intero campo è stato ostacolato dalla mancanza di una tecnologia di sensori diversificata, afferma. Questa è la prima dimostrazione che [DNA] potrebbe essere usato in questo modo. Dal primo apprendimento dell'approccio durante una conferenza, Gelperin ha collaborato con il fisico dell'Università della Pennsylvania Charlie Johnson per portare il concetto un ulteriore passo avanti incorporando una lettura elettronica realizzata con transistor a nanotubi di carbonio.
Per ora, White afferma che il suo team ha incorporato i suoi sensori del DNA insieme ai polimeri sintetici in progetti mirati, incluso un dispositivo per rilevare il gas di ammoniaca, che sarebbe utile per allertare i soccorritori in caso di fuoriuscite tossiche o per monitorare l'inquinamento causato dalle operazioni di bestiame. Dice che c'è persino interesse tra i viticoltori nello sviluppo di un dispositivo che potrebbe aiutare a fiutare i vini contraffatti. Questa era una novità per me, dice White, ridendo.