향기와 감각

인간이 인식할 수 없는 감각 세계는 수백만 개가 있습니다. 야생 동물이 되는 것이 어떤 것인지를 헤아리는 것은 인간 감각의 제한된 해상도를 넘어서는 것입니다. 예를 들어, 곤충은 더듬이를 통해 퍼지는 냄새의 미묘한 화학적 뉘앙스를 해독하면서 냄새의 세계에 살고 있습니다. 메뚜기(특정 비사회적 메뚜기의 이동 떼 형태)의 경우, 그들의 후각은 신체적, 공동체적 변화와 밀접하게 연관되어 있습니다. 특정 환경 조건은 메뚜기가 탈피하고 더 많은 메뚜기를 유인하는 페로몬을 분비하도록 촉발합니다.1,2 오래된 몸과 고독한 존재를 버린 후, 수십억 마리의 메뚜기들은 태양을 가리고 인간을 괴롭히는 파괴적인 떼로 모입니다. 이러한 극적인 신체 및 라이프스타일 변화는 미묘한 냄새를 감지하고 구별하는 뛰어난 능력에 달려 있습니다.3

최근 미시간 주립대학교 생의학 공학 조교수인 Debajit Saha와 그의 팀은 메뚜기 뇌의 냄새 감지 회로를 활용하여 인간 구강암의 냄새 특징을 감지했습니다. Saha는 이전에 폭탄 탐지를 위해 메뚜기를 사용했으며4 암 탐지로의 전환을 흥미롭게 만들었습니다. “암은 [세포] 신진대사를 변화시키고 그러한 변화는 호기 호흡에 반영됩니다.”라고 Saha는 말했습니다. 휘발성 유기 화합물(VOC)로 알려진 이러한 독특한 화학적 특징은 과학자들이 이를 발견할 수 있다면 질병의 유망한 바이오마커가 될 것입니다. 다른 연구자들은 암을 식별하기 위해 전자 코라고도 알려진 인공 센서를 설계하고 있지만 감각적 냄새 환경에 서식하는 생물에 비해 민감도, 특이성 및 속도는 여전히 제한적입니다. Saha 팀은 자연의 가장 강력한 바이오센서를 활용하기 위해 생물학으로 복귀하고 있습니다. Saha는 "생물학적 뇌를 백엔지니어링하는 대신 계산을 순방향 엔지니어링하고 있습니다"라고 말했습니다.

사하 연구팀은 메뚜기 뇌의 냄새 처리 회로를 차단하여 플라스크에서 자라는 인간 구강암 세포를 감지하고 구별할 수 있는지 조사하고 그 결과를 Biosensors and Bioelectronics에 보고했습니다.5 그들은 메뚜기 뇌 수술을 실시하고 전극을 삽입했습니다. 냄새를 처리하는 뇌 영역. 그런 다음 Saha 팀은 세 가지 유형의 인간 구강암 세포와 건강한 인간 구강 세포의 세포 배양에서 가스 샘플을 수집했습니다. 그들은 메뚜기의 더듬이 위로 가스 샘플(각각 해당 세포의 독특한 VOC 혼합물이 포함되어 있음)을 날려 뇌의 전기 활동을 기록했습니다. 여러 메뚜기의 결과를 종합한 후 Saha 팀은 메뚜기의 뇌가 각 세포 유형에 대해 뚜렷한 전기 패턴을 생성한다는 사실을 발견했습니다. 메뚜기는 암과 건강한 세포를 구별할 뿐만 아니라 다양한 구강암의 미묘한 냄새 지문도 구별했습니다.

"이것은 우리 분야에 추가되는 중요한 작업이며 언젠가 건강 진단을 위한 실제 장치로 이어질 수 있습니다."라고 이 연구에 참여하지 않은 펜실베니아 모넬 화학 감각 센터의 화학 생태학자인 브루스 킴볼(Bruce Kimball)은 말했습니다. Kimball에 따르면 감지기(감각 뉴런, 인공 센서 또는 기타 분석 도구)와 패턴 분석 알고리즘(생물학적 뇌, 뇌 모방 칩 또는 기계 학습)의 조합은 결국 연구자들이 결승선을 통과하는 데 도움이 될 수 있습니다. 충분히 미세 조정이 이루어지면 이러한 시스템은 "대부분의 건강 상태와 관련된 냄새를 성공적으로 식별할 수 있을 것입니다."

사하는 메뚜기 바이오센서의 연산 능력이 현재 인공 센서의 연산 능력을 능가한다고 설명했다. 제한된 수의 냄새 수용체를 사용하는 메뚜기는 다양한 화학 물질을 암호화하는 거의 무제한의 능력을 가지고 있습니다. "그들은 개별 구성 요소를 식별할 필요가 없으며 전체 혼합물을 취하여 [냄새] 지문을 만들면 됩니다"라고 Saha는 말했습니다. 그의 팀은 배양된 세포보다 훨씬 더 복잡한 냄새 특징을 가지고 있는 인간 암 환자의 호흡 샘플을 테스트할 계획입니다. “그건 큰 시험이 될 거야.”