À l’aide de nanoparticules spécialement conçues, une équipe de chercheurs américains a artificiellement amélioré l’odorat des criquets. Dirigé par Srikanth Singamaneni ainsi que Barani Raman à l'Université de Washington à St Louis, l'approche des chercheurs pourrait conduire à un nouveau type de capteurs chimiques biologiques.

De nombreux animaux différents ont développé un odorat qui surpasse largement le nôtre. Même aujourd’hui, les dernières conceptions de capteurs chimiques n’ont pas encore rattrapé la sensibilité des systèmes olfactifs biologiques, ni leur capacité à distinguer des substances subtilement différentes.

Récemment, des chercheurs ont tenté d’exploiter ces capacités dans des capteurs biologiques et chimiques. Initialement, l'équipe de Singamaneni avait prévu de le faire avec des criquets, qui portent leur appareil olfactif dans leurs antennes.

La biologie fait le gros du travail

"Nous laissons la biologie faire le travail le plus difficile consistant à convertir les informations sur les produits chimiques vaporisés en un signal neuronal électrique", explique Raman. « Ces signaux sont détectés dans les antennes des insectes et sont transmis au cerveau. Nous pouvons placer des électrodes dans le cerveau, mesurer la réponse neuronale des criquets aux odeurs et les utiliser comme empreintes digitales pour distinguer les produits chimiques.

Mais cette approche s’est rapidement heurtée à des difficultés. Sans nuire aux insectes, l'équipe de Singamaneni a constaté qu'ils étaient strictement limités à la fois dans le nombre d'électrodes qu'ils pouvaient utiliser et dans les régions où elles pouvaient être placées. En fin de compte, cela signifiait que les signaux neuronaux détectés étaient beaucoup trop faibles pour que le système puisse agir comme un capteur chimique fiable.

Pour surmonter ce défi, les chercheurs ont exploré comment les signaux neuronaux des criquets pourraient être améliorés à l'aide de nanoparticules photothermiques, extrêmement efficaces pour convertir la lumière en chaleur. "La chaleur affecte la diffusion – imaginez ajouter du lait froid au café chaud", explique Raman. "L'idée est d'utiliser la chaleur générée par les nanostructures pour chauffer localement et améliorer l'activité neuronale."

Dans ce cas, l’équipe a examiné comment la chaleur appliquée localement pourrait être utilisée pour contrôler la libération de neurotransmetteurs. Ce sont les molécules chargées de transmettre les signaux électriques entre les neurones du cerveau.

Cire fondante

Pour y parvenir, ils ont commencé par enfermer des nanoparticules photothermiques de polydopamine dans un revêtement de silice poreuse. Ils ont ensuite mélangé la structure avec un colorant contenant du 1-tétradécanol. Ce dernier est un solide cireux à température ambiante, mais il fond à seulement 38 °C. Enfin, ils ont chargé les nanostructures d’une « cargaison » de neurotransmetteurs et les ont injectées dans le cerveau des criquets.

Pour tester leur approche, l'équipe a placé des réseaux aléatoires d'électrodes sur la tête des criquets et a surveillé leurs signaux neuronaux lorsqu'ils les exposaient à différentes odeurs. Lorsqu’ils ont détecté des signaux neuronaux, l’équipe a ensuite tiré un laser proche infrarouge à l’endroit où les signaux apparaissaient.

Les nanoparticules photothermiques ont absorbé la lumière proche infrarouge, ce qui a chauffé le 1-tétradécanol environnant au-dessus de son point de fusion, libérant ainsi la charge de neurotransmetteurs de la structure dans son environnement immédiat.

Odeur améliorée

Avec l'abondance temporaire de neurotransmetteurs, les signaux neuronaux des criquets ont été temporairement amplifiés d'un facteur 10. Cela a amélioré l'odorat des insectes et a également augmenté l'activité neuronale des criquets à des niveaux qui pourraient être mesurés avec beaucoup plus de précision par l'électrode de l'équipe. tableaux. C'était le cas même lorsque les nanoparticules n'étaient pas placées dans des positions optimales.

"Notre étude présente une stratégie générique pour améliorer de manière réversible les signaux neuronaux au niveau du site cérébral où nous plaçons les électrodes", explique Raman. Lorsque l’amplification du signal n’était plus nécessaire, les molécules de neurotransmetteurs en excès étaient simplement décomposées par des enzymes naturelles. À long terme, les nanostructures se biodégraderont, laissant les criquets indemnes.

Les chercheurs sont convaincus que leur approche pourrait constituer une étape prometteuse vers une nouvelle génération de capteurs chimiques biologiques.

"Cela modifierait une approche passive existante – dans laquelle l'information est simplement lue – en une approche active, où les capacités des circuits neuronaux comme base du traitement de l'information sont pleinement utilisées", explique Raman. Si cela était réalisé, cela augmenterait la sensibilité des capteurs chimiques et améliorerait leur capacité à différencier les différents produits chimiques.

La recherche est décrite dans Natural Nanotechnology.

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• La source: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/