Bioelektronische Nase erkennt gasförmige chemische Kampfstoffe

Jul 24, 2023

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Durch die Anbringung menschlicher Geruchsrezeptoren an einem auf Graphen basierenden Sensor haben Forscher eine bioelektronische Nasenplattform zur Erkennung eines Nervengifts geschaffen, um Biosicherheitsrisiken zu begegnen und das medizinische Krisenmanagement zu unterstützen. So-ong Kim von der Seoul National University und Sung Gun Kim von Samsung Electronics leiteten ein Forscherteam bei der Herstellung einer bioelektronischen Nase mit dem menschlichen Geruchsrezeptor 2T7 (hOR2T7), um Dimethylmethylphosphonat (DMMP) nachzuweisen, eine Verbindung, die häufig in Nerven verwendet wird Agenten.

Der Forschungsartikel „Ni-rGO Sensor Combined with Human Olfactory Receptor-Embedded Nanodiscs for Detecting Gas-Phase DMMP as a Simulant of Nerve Agents“ wurde in ACS Sensors veröffentlicht.

Gassensoren für Sicherheits- und Militäranwendungen erfordern wichtige Eigenschaften, darunter Empfindlichkeit im Spurenbereich im ppm- bis ppb-Bereich, Selektivität für die Unterscheidung, schnelle Reaktion, einfache Bedienung, Produktion in großem Maßstab, Miniaturisierung und geringer Stromverbrauch. Bioelektronische Nasen sind Biosensoren mit ähnlichen Funktionen und Komponenten wie menschliche Geruchssensorsysteme, beispielsweise menschliche Geruchsrezeptoren. Diese großen Familien von G-Protein-gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) fungieren als Detektoren für mehrere Moleküle an der Schnittstelle zwischen chemischen Verbindungen und biologischer Sensorik. Menschliche Geruchsrezeptoren können mit E. coli kostengünstig und in großen Mengen hergestellt werden. Wenn sie mit Nanomaterialien wie Graphen kombiniert werden, können sie empfindlicher auf Zielmoleküle reagieren und gleichzeitig ihre Affinität zu ihnen beibehalten.

Frühere Untersuchungen haben gezeigt, dass hOR2T7 bei Verwendung mit einem Kohlenstoffnanoröhren-Feldeffekttransistor DMMP erkennen kann, nachdem es mithilfe von Detergensmizellen rekonstituiert wurde, bei denen es sich um stabile kolloidale Aggregate von Detergensmonomeren handelt, deren unpolare Enden nach innen gesteckt sind. Leider beschränkte es sich auf den Nachweis von Liganden in einem flüssigen und nicht in einem gasförmigen Medium.

Um DMMP in der Gasphase nachzuweisen, synthetisierten die Forscher hOR2T7 im E. coli-System und rekonstituierten es dann für diese Studie als Nanoscheiben. Nanoscheiben, bestehend aus menschlichen Geruchsrezeptoren, Lipiden und einem Membrangerüstprotein, das die Lipide und Rezeptoren fest bindet, wurden aufgrund ihrer erhöhten Stabilität unter verschiedenen Bedingungen als bestes Material für Gassensoren ausgewählt. Durch die Herstellung eines Sensors aus mit Nickel beschichtetem reduziertem Graphenoxid (Ni-rGO) und richtig ausgerichteten hOR2T7-Nanoscheiben konnte DMMP in der Gasphase empfindlich und selektiv nachgewiesen werden. Sie zeigten, dass die bioelektronische Nase DMMP-Gas selektiv und wiederholt in einer Konzentration von einem Teil pro Milliarde (ppb) erkennen konnte. Saringas, eines der giftigsten Nervengase, führt bei einer Konzentration über 66 ppb innerhalb von 10 Minuten nach dem Einatmen zum Tod.

Diese empfindliche und selektive bioelektronische Nase kann ein praktisches Werkzeug zur Erkennung gasförmiger chemischer Kampfstoffe im Militär- und Sicherheitsbereich sein. Weitere Studien sind erforderlich, um seinen Einsatz in der Praxis zu untersuchen, einschließlich der Erkennung von DMMP-Gas in Luft bei unterschiedlichen Feuchtigkeits- und Temperaturniveaus sowie der Durchführung der Tests mit echten Nervengifttests wie Saringas. Dennoch kann diese Technologie eine vielversprechende Strategie für die Entwicklung spezifischer Sensoren für Nervengase mit der hohen Empfindlichkeit und Selektivität menschlicher Geruchsrezeptoren bieten.