蚊の「鼻」の生物学的部分のおかげで、私たちはついにコンピューターのSmell-O-Visionに近づきました。 そして、初期の癌を診断する方法。
最近の爆発で コンピューティング ハードウェアの腕前と AI、私たちは機械で私たちのコアセンスをある程度適切に複製することができました。 コンピュータービジョンとバイオエンジニアリングされた網膜は、人工視覚を強化するためにタグチーム化されています。 スマートプロテーゼは、タッチ、痛み、圧力、その他の皮膚感覚をシームレスにシミュレートします。 補聴器は、ノイズの泥だらけの不協和音から特定の音を分離する能力がこれまでになく向上しています。
しかし、欠けているのは匂いの感覚です。 動物界では人間はマエストロの匂いを嗅ぐことはほとんどありませんが、それでも大まかに検出することはできます 一兆 匂い、多くの場合、単一の香り分子だけが私たちの鼻に漂っています。 彼らの最善の努力にもかかわらず、この力をデジタルの人工的なコンピューターの「鼻」に変換することは、科学者を避けてきました。 XNUMXつの大きな問題は、私たちの生物学的匂いのメカニズムの感度をリバースエンジニアリングすることです。これは、嗅覚システムとしても知られています。
「匂い、空気中の化学的特徴は、環境に関する有用な情報を伝えることができます…しかし、十分な感度と選択性を備えたセンサーがないため、この情報はうまく活用されていません。」 と 東京大学バイオハイブリッドシステム研究室の竹内昌治博士。
しかし、ここに問題があります。進化論はすでに解決策を考え出しました。 嗅覚を最初から再構築するのではなく、利用可能なものだけを使用してみませんか？
で 新しい紙 に発表され 科学の進歩、竹内らはまさにそれをしました。 彼らは、ネッタイシマカ（yikes）の匂いを感知するコンポーネントを利用し、合成生物学で構造全体を再構築しました。 次に、並列チップ設計を使用して、これらの生物学的コンポーネントをアレイとしてチップ上に注意深く配置し、コンピューターでセットアップを監視しました。
匂いの化学物質を小さな液滴に注入することで（エッセンシャルオイルが加湿器で液体と混ざり合うと考えてください）、チップは前例のない感度で匂いを検出できます。 生物学的臭気感知コンポーネントはそれぞれお気に入りの化学物質に合わせて調整されているため、理論的には、単一の16チャネルチップを使用して、数千兆を超える臭気の混合物を検出することができます。
「これらのバイオハイブリッドセンサーは…非常に感度が高い」と竹内氏は語った。 AIを使用すると、バイオハイブリッドセンサーをさらに強化して、環境内および健康状態を監視するための病気を探す飲酒検知器として、ますます複雑になる化学物質の混合物を分析できると彼は付け加えました。
匂いの解剖学
動物の嗅覚システムは進化論的な芸術作品です。 特定の生物学的設定は種によって異なりますが、一般的な概念はかなり似ています。
それはすべて鼻から始まります。 私たちの鼻は嗅覚細胞が密集していて、鼻腔の高いところに集まっています。 これらの細胞を脂肪の泡と考えてください。それぞれに電線があり、情報をチェーンの上流に転送します。 泡の外縁に沿って点在しているのは、嗅覚受容体と呼ばれるタンパク質です。 これらは基本的に、外部環境とセルの内部聖域を接続する「スマート」トンネルです。
重要な点は次のとおりです。各トンネルまたは受容体は、単一の臭気化学物質に合わせて調整されています。 通常は閉まっています。 バニラの主要な化学物質であるバニリンなどの匂いが鼻腔に漂うと、その好ましい受容体をつかみます。 この作用により受容体トンネルが開き、イオンが細胞に流れ込みます。 翻訳？ それは、脳に送られる電流、一種の「オン」信号をトリガーします。
今度は、もっと複雑な香り、たとえばフレンチトーストを取ります。 複数の化学分子がそれぞれの匂い受容体をつかみます。 それぞれが電流を送り、それは神経の高速道路に沿って脳に向かって競争するときに一緒に分析されます。 以前の経験に基づいて、脳は組み合わせデータを分析し、「ああ、それはフレンチトーストだ！」と判断することができます。
お分かりのように、組み合わせが重要です。 これが、400個ほどの嗅覚受容体がXNUMX兆種類の匂いを検出する方法です。 それはまた、日本のチームが新しい人工の「鼻」のインスピレーションを得るために利用したものでもあります。
救助への蚊
チームは、人間の嗅覚受容体を再構築するのではなく、蚊に目を向けました。 チームがこれらの吸血鬼を特に愛しているわけではありません。 蚊の匂い受容体は、嗅覚を高めるために作られているからです。 通常の匂いをつかむコンポーネントに加えて、これらの厄介なバグには、生物学的な方法で電気信号を増幅する別のコンポーネントもあります。 これにより、彼らはより高い感度で匂いを嗅ぐことができ、同時に彼らが嗅いでいるもの（血液またはディート）を細かく識別することができます。 それは私たちにとってひどい特性ですが、人工の鼻には最適です。
次のステップは、チップ上のセル構造を再構築することでした。 ここでは、チームは独自のレシピを使用して、それぞれが液体で満たされたXNUMXつの泡を注意深くマイクロエンジニアリングし、水平方向に一緒に粉砕して、一種の押しつぶされたXNUMXの字を形成しました。 XNUMXつの気泡の間のつながりには、細胞の外殻、つまりXNUMXつの脂肪層を持つ膜を模倣した構造があります。 チームはこれを彼らの人工細胞膜と呼んだ。
次に、合成生物学を利用して、DNAを使用して蚊の匂い受容体をゼロから作成しました。 これらの受容体は人工細胞膜に埋め込まれています。 次に、XNUMXつのオイルタンクが密接に寄り添っているが、臭気感知膜によって分離されていると考えて、全体の仕掛けをチップに落としました。 各臭気検出ユニットは、一種の通気メカニズムとして、チップ上のスリットの束の上に配置されていました。
臭気検出の仕組みは次のとおりです。 各チップには「チャネル」が刻印されており、臭気が各検出ユニットに向かって流れるようになっています。 ユニットでは、臭気化学物質が窒素空気の吹き付けを使用してスリットにシャトルされます。 これにより、臭気分子が「吹き飛ばされ」、気泡内の液体とよりよく混ざり合うため、臭気検出コンポーネントはより「泡」になります。 唐辛子の鍋をかき混ぜて、香りを良くすることを考えてください。これが一般的な考え方です。
匂い分子が埋め込まれた蚊の匂いセンサーをつかむと、センサーは電流を生成しました。 チームは、電極とコンピューターを使用して、これらの電流を監視できます。 単一のデバイスに依存するのではなく、チップ上で16をリンクして、感度をさらに高めました。
概念実証として、チームはオクテノールと呼ばれる匂い分子をバイオハイブリッドの鼻に供給しました。 オクテノールは、がん患者の呼吸でしばしば検出されます。 わずか数ppb（私たちの自然な鼻に似た範囲）で、バイオハイブリッドの「鼻」は90％以上の精度で確実に匂いを拾うことができました。
別のテストでは、チームはボランティアにバッグに激しく息を吹き込ませました。 次に、一定の空気の流れを確保するためのレギュレーターを介して、バッグを人工の鼻に接続しました。 「人間の呼吸には約3,000の異なる代謝物[分子]が含まれていますが」とチームは言いました。呼吸にオクテノールが含まれていない健康な人間の場合、鼻は静かなままでした。 ただし、オクテノールガスを少し加えると、バイオニックの「鼻」がすぐに電気的な隆起を生成し、その存在を示します。
香り高い未来
今のところ、チームは一度にXNUMXつの香りだけをテストしました。 しかし、センシングチャネルはプラグアンドプレイであるため、香り高く開花する未来に自信を持っています。 たとえば、異なる匂い受容体を混合して一致させると、私たち自身を凌駕する人工鼻につながる可能性があります。
最終的に、チームは、病気の初期段階を検出するための手頃でポータブルな方法として、バイオニックノーズを使用することを望んでいます。 ガンやその他の健康上の問題により、体臭の混合物は劇的に変化する可能性があります。 犬など、私たちよりも嗅覚が高い動物は、健康上の問題を早期に発見することができます。 さらに、バイオハイブリッドの鼻は、汚染された荒れ地に足を踏み入れて、生物に害を与えることなく有毒化学物質をスクリーニングすることもできます。
「蚊の鼻」ハードウェアを補完するために、チームはすでにより洗練されたAIソフトウェアを探しています。 「ある種のAIを使用して、システムの分析面を拡張したいと思います。 これにより、バイオハイブリッドセンサーがより複雑な種類の分子を検出できるようになる可能性があります」と竹内氏は述べています。
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