Hunter
Visszatér a gyökerekhez a mesterséges orr
Az evolúciós biológia egyik csodája a kutyák szaglása. Egy kutatás a kutyák szaglószervének folyadék és szagszállítási mechanikáit kezdte tanulmányozni.
Ha szaglásról van szó, az ember már hosszú-hosszú ideje támaszkodik az evolúciós biológia egyik csodájára, a kutyák szaglására. A négylábúak orra szinte végtelen szagminta észlelésére képes, legyen az különálló vagy összetett, akár egészen elenyésző koncentrációkban is. A kutyák betanítása azonban költséges és időigényes állítják azok a kutatók, akik az elmúlt években különböző kémiai érzékelő technikák, vagy mesterséges orrok kifejlesztésén dolgoztak, míg az állatvédők az alkalmazási területként előforduló veszélyes környezetek miatt aggódnak, vegyük csak a bombakereső kutyákat.
Az eddig elkészült eszközök adott kémiai osztályoknál már értek el sikereket, az anyagok keverésével azonban általában az összes mesterséges orrot sikerül összezavarni. A Pennsylvania Állami Egyetem Alkalmazott Kutatások Laboratóriumának vezetője, Eric Paterson gépészmérnök professzor néhány évvel ezelőtt a fejébe vette, hogy vissza megy egészen a forrásig, és elkezdte tanulmányozni a kutyák szaglószervének alapvető folyadék és szagszállítási mechanikáit, hogy egy jobb mesterséges alternatívával állhasson elő.
Amikor a kutya szimatol, a szagokkal teli levegő áthalad az orrüregen, ahonnan egy rendkívül bonyolult labirintusba jut. Ez a természet megoldása egy nagy felszínű terület kis helyre való bezsúfolására, ami kulcsszerepet játszik a szagok eljuttatásában a milliónyi szaglószervi receptorhoz, a szaglóhámba ágyazott specializált proteinekhez, magyarázta Paterson. A "szaglás" akkor megy végbe, amikor a szagmolekulák hozzákötődnek ezekhez a receptorokhoz, hogy jeleket alkossanak, amik az agyba továbbítódnak.
A folyamat alaposabb szemügyre vételéhez a labor egyik kutatója, Brent Craven elkészített egy számítógépes folyadékdinamikai modellt, ami a folyadék mozgás egyenletein és egy valódi kutya légútjának nagy felbontású MRI vizsgálatán alapult. A modell több új ismerethez vezetett. "Az egyik legfontosabb felfedezés annak az útnak a megtalálása, amin a szagok eljutnak a szaglószervi területhez az orrlyukon belül. Számítógépes szimulációink bebizonyították, hogy egyetlen átjáró, az orrnyálkahártya felel mindezért" - jegyezte meg Paterson.
A levegő áthaladása a nyálkahártya bevonatú receptorokon rendkívül sima, jóllehet pulzáló a szimatolás miatt, ami egy egyenletes jelet biztosít a receptoroknak. "Mindez maximalizálja a szagok hatékony eljuttatását a receptorokhoz és az agy számára értelmezhető kémiai összetételi sémákat hoz létre" - mondta Paterson.
A kutatás egyik eredménye, hogy Patersont és munkatársait választották ki a hadügy minisztérium kutatási ügynöksége, a DARPA által szponzorált RealNose projektben való részvételre, melynek célja egy mechanikus orr megépítése, ami a lehető legjobban szimulálja a teljes kutya szaglószervi rendszert. A pennsylvaniai csapat mellett még két team vesz részt a projektben, melynek első fázisában két elemet kell felvázolniuk.
Az első egy szagbeviteli rendszer kifejlesztése, ami egyesíti a labor korábbi levegőáramlási és szagszállítási modellezéseit. Ezután a csapatnak ki kell fejlesztenie egy szagészlelő rendszert, ami valós sejtekből létrehozott szaglószervi receptorokat jelent. Paterson szerint ez támasztgatja a legnagyobb kihívást. "Még sok munkánk lesz az egyes kémiai anyagokért felelős receptorok azonosításával, majd ezeket a receptorokat megfelelő számban ki kell fejeznünk, hogy egy valós szenzort kapjunk" - taglalta Paterson.
A csapat több lehetőséget is vizsgál, az egyik a receptorok szén nanoanyagokra való ülepítése, ami képes lenne a szagok elektromos jeleké való alakítására, így akár összetett szag keverékeket is beazonosíthatna a rendszer. A RealNose projekt eredménye a kábítószer és robbanóanyagok keresésétől a vegyi- és biológiai fegyvereken át egészen a rák bizonyos típusainak kiszagolásáig terjedhetnének.
Ha szaglásról van szó, az ember már hosszú-hosszú ideje támaszkodik az evolúciós biológia egyik csodájára, a kutyák szaglására. A négylábúak orra szinte végtelen szagminta észlelésére képes, legyen az különálló vagy összetett, akár egészen elenyésző koncentrációkban is. A kutyák betanítása azonban költséges és időigényes állítják azok a kutatók, akik az elmúlt években különböző kémiai érzékelő technikák, vagy mesterséges orrok kifejlesztésén dolgoztak, míg az állatvédők az alkalmazási területként előforduló veszélyes környezetek miatt aggódnak, vegyük csak a bombakereső kutyákat.
Az eddig elkészült eszközök adott kémiai osztályoknál már értek el sikereket, az anyagok keverésével azonban általában az összes mesterséges orrot sikerül összezavarni. A Pennsylvania Állami Egyetem Alkalmazott Kutatások Laboratóriumának vezetője, Eric Paterson gépészmérnök professzor néhány évvel ezelőtt a fejébe vette, hogy vissza megy egészen a forrásig, és elkezdte tanulmányozni a kutyák szaglószervének alapvető folyadék és szagszállítási mechanikáit, hogy egy jobb mesterséges alternatívával állhasson elő.
Amikor a kutya szimatol, a szagokkal teli levegő áthalad az orrüregen, ahonnan egy rendkívül bonyolult labirintusba jut. Ez a természet megoldása egy nagy felszínű terület kis helyre való bezsúfolására, ami kulcsszerepet játszik a szagok eljuttatásában a milliónyi szaglószervi receptorhoz, a szaglóhámba ágyazott specializált proteinekhez, magyarázta Paterson. A "szaglás" akkor megy végbe, amikor a szagmolekulák hozzákötődnek ezekhez a receptorokhoz, hogy jeleket alkossanak, amik az agyba továbbítódnak.A folyamat alaposabb szemügyre vételéhez a labor egyik kutatója, Brent Craven elkészített egy számítógépes folyadékdinamikai modellt, ami a folyadék mozgás egyenletein és egy valódi kutya légútjának nagy felbontású MRI vizsgálatán alapult. A modell több új ismerethez vezetett. "Az egyik legfontosabb felfedezés annak az útnak a megtalálása, amin a szagok eljutnak a szaglószervi területhez az orrlyukon belül. Számítógépes szimulációink bebizonyították, hogy egyetlen átjáró, az orrnyálkahártya felel mindezért" - jegyezte meg Paterson.
A levegő áthaladása a nyálkahártya bevonatú receptorokon rendkívül sima, jóllehet pulzáló a szimatolás miatt, ami egy egyenletes jelet biztosít a receptoroknak. "Mindez maximalizálja a szagok hatékony eljuttatását a receptorokhoz és az agy számára értelmezhető kémiai összetételi sémákat hoz létre" - mondta Paterson.
A kutatás egyik eredménye, hogy Patersont és munkatársait választották ki a hadügy minisztérium kutatási ügynöksége, a DARPA által szponzorált RealNose projektben való részvételre, melynek célja egy mechanikus orr megépítése, ami a lehető legjobban szimulálja a teljes kutya szaglószervi rendszert. A pennsylvaniai csapat mellett még két team vesz részt a projektben, melynek első fázisában két elemet kell felvázolniuk.
Az első egy szagbeviteli rendszer kifejlesztése, ami egyesíti a labor korábbi levegőáramlási és szagszállítási modellezéseit. Ezután a csapatnak ki kell fejlesztenie egy szagészlelő rendszert, ami valós sejtekből létrehozott szaglószervi receptorokat jelent. Paterson szerint ez támasztgatja a legnagyobb kihívást. "Még sok munkánk lesz az egyes kémiai anyagokért felelős receptorok azonosításával, majd ezeket a receptorokat megfelelő számban ki kell fejeznünk, hogy egy valós szenzort kapjunk" - taglalta Paterson.
A csapat több lehetőséget is vizsgál, az egyik a receptorok szén nanoanyagokra való ülepítése, ami képes lenne a szagok elektromos jeleké való alakítására, így akár összetett szag keverékeket is beazonosíthatna a rendszer. A RealNose projekt eredménye a kábítószer és robbanóanyagok keresésétől a vegyi- és biológiai fegyvereken át egészen a rák bizonyos típusainak kiszagolásáig terjedhetnének.