미국 연구팀은 특별히 가공된 나노입자를 사용하여 메뚜기의 후각을 인위적으로 향상시켰습니다. 주도 스리칸트 싱가마네니 과 바라니 라만 세인트루이스에 있는 워싱턴 대학교(Washington University)에서 연구진의 접근 방식은 새로운 유형의 생물학적 화학적 센서로 이어질 수 있습니다.
많은 다양한 동물들이 인간보다 훨씬 뛰어난 후각을 발달시켰습니다. 오늘날에도 최신 화학 센서 디자인은 생물학적 후각 시스템의 민감도와 미묘하게 다른 물질을 구별하는 능력을 아직 따라잡지 못했습니다.
최근 연구자들은 생물학적, 화학적 센서에서 이러한 능력을 활용하려고 시도했습니다. 처음에 Singamaneni 팀은 더듬이에 후각 기관을 가지고 있는 메뚜기를 사용하여 이 작업을 수행할 계획이었습니다.
생물학은 힘든 일을 한다
Raman은 “우리는 증기 화학물질에 대한 정보를 전기 신경 신호로 변환하는 더 어려운 작업을 생물학에 맡겼습니다.”라고 설명합니다. “이러한 신호는 곤충의 더듬이에서 감지되어 뇌로 전달됩니다. 우리는 뇌에 전극을 배치하고 냄새에 대한 메뚜기의 신경 반응을 측정하고 이를 지문으로 사용하여 화학 물질을 구별할 수 있습니다.”
그러나 이 접근 방식은 곧 어려움에 부딪혔습니다. 곤충에게 해를 끼치지 않으면서 Singamaneni 팀은 사용할 수 있는 전극의 수와 배치할 수 있는 지역이 엄격하게 제한되어 있음을 발견했습니다. 궁극적으로 이는 그들이 감지한 신경 신호가 시스템이 신뢰할 수 있는 화학 센서로 작동하기에는 너무 약하다는 것을 의미했습니다.
이러한 문제를 극복하기 위해 연구자들은 빛을 열로 변환하는 데 매우 효율적인 광열 나노입자의 도움으로 메뚜기의 신경 신호를 향상시킬 수 있는 방법을 탐구했습니다. "열은 확산에 영향을 미칩니다. 뜨거운 커피에 차가운 우유를 넣는 것을 상상해보세요."라고 Raman은 말합니다. "아이디어는 나노 구조에 의해 생성된 열을 사용하여 국부적으로 가열하고 신경 활동을 향상시키는 것입니다."
이 경우, 연구팀은 국소적으로 가해지는 열을 사용하여 신경 전달 물질의 방출을 제어하는 방법을 조사했습니다. 이들은 뇌의 뉴런 사이에 전기 신호를 전달하는 역할을 하는 분자입니다.
녹는 왁스
이를 달성하기 위해 그들은 다공성 실리카 코팅에 광열 폴리도파민 나노입자를 넣는 것부터 시작했습니다. 그런 다음 그들은 이 구조를 1-테트라데칸올을 함유한 염료와 혼합했습니다. 후자는 실온에서 왁스 같은 고체이지만 38°C에서만 녹습니다. 마지막으로, 그들은 나노구조에 신경전달물질 "화물"을 탑재하고 이를 메뚜기 뇌에 주입했습니다.
그들의 접근 방식을 테스트하기 위해 팀은 메뚜기의 머리에 전극의 무작위 배열을 배치하고 메뚜기가 다른 냄새에 노출되었을 때 신경 신호를 모니터링했습니다. 연구팀은 신경 신호를 감지하자 신호가 나타난 곳에 근적외선 레이저를 발사했다.
광열 나노입자는 근적외선을 흡수하고 이로 인해 주변 1-테트라데칸올이 녹는점 이상으로 가열되어 구조의 신경 전달 물질이 주변으로 방출됩니다.
향상된 후각
일시적으로 풍부한 신경 전달 물질로 인해 메뚜기의 신경 신호는 일시적으로 10배로 증폭되었습니다. 이로 인해 곤충의 후각이 향상되었으며 메뚜기의 신경 활동이 팀의 전극으로 훨씬 더 정확하게 측정할 수 있는 수준으로 향상되었습니다. 배열. 이는 나노입자가 최적의 위치에 배치되지 않은 경우에도 마찬가지였습니다.
메뚜기 고막은 작은 주파수 분석기입니다
"우리의 연구는 전극을 배치하는 뇌 부위의 신경 신호를 가역적으로 향상시키는 일반적인 전략을 제시합니다"라고 Raman은 설명합니다. 신호 증폭이 더 이상 필요하지 않게 되면 과도한 신경전달물질 분자는 천연 효소에 의해 간단히 분해됩니다. 장기적으로 나노구조는 생분해되어 메뚜기가 해를 입지 않게 됩니다.
연구원들은 그들의 접근 방식이 차세대 생물학적 화학적 센서를 향한 유망한 단계가 될 수 있다고 확신합니다.
Raman은 "정보를 단순히 읽는 기존의 수동적 접근 방식을 정보 처리의 기반인 신경 회로의 기능을 완전히 활용하는 능동적 접근 방식으로 바꿀 것입니다."라고 설명합니다. 만약 달성된다면, 이는 화학 센서의 감도를 높이고 다양한 화학 물질을 구별하는 능력을 향상시킬 것입니다.
연구는 다음에 설명되어 있습니다. 자연 나노 기술.
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- 출처: https://physicsworld.com/a/nanoparticles-enhance-locusts-sense-of-smell/
