Διερεύνηση του μηχανισμού ανίχνευσης περιβαλλοντικών ρυπαντών με βιολογικούς αισθητήρες

Abstract

How the actual mechanism for detecting odorants works, is still unknown. Unlike the other senses, smell has not been fully decoded yet. Research in the field of olfaction is sparser than in the optics or acoustics field and this is due to a number of factors that make the sense of smell difficult to grasp. The following experiments have been based on the vibrational theory in order to investigate the importance of an odorant's molecular vibration upon its recognition by the receptor.If a universal and decisive explanation for the smell mechanism is found, it will be possible to construct biosensors that can directly and accurately recognise the quality and concentration of environmental pollutants.The organisms used herein were humans and Drosophila melanogaster flies. Drosophila is an excellent tool for genetic processes; it is cost effective, has a short life cycle and is easy to handle. Olfactory experiments were performed with both organisms. One of the basic tools used to investigate the vibrational mechanism is deuteration. Deuteration of a molecule consists of the replacement of hydrogen atoms by deuteria, i.e. hydrogen atoms that have a neutron in their nucleus. This means that deuterium has twice the weight of hydrogen, but because the neutron is very small in size, it does not change the size of the atom at all. However, the molecule’s vibrations change because it is now heavier and hence slower. This implies that two isotopologues should smell differently, according to the theory of vibrations. Thus, two molecules that have the same conformation but different molecular vibrations are ideal for testing the vibration theory. Olfactory trials were performed in humans with a musk (material used in perfumery), cyclopentadecanone, which was deuterated by us and given to eleven volunteers to be evaluated in terms of odour in comparison to its isotopologue. The great majority found the two samples to have different odour and they all agreed that the deuterium had a burnt odour.Conduct of classical Pavlovian learning with Drosophila flies were also performed in which molecules-pollutants were tested either in their deuterated or hydrogen form. The experiments were carried out using a T-shaped maze. The case of boranes was investigated, which have a sulphuric smell, but contain no sulphur atoms. The results of the experiments showed that flies trained to avoid β-mercaptoethanol avoid in turn decaborane and vice versa. On the contrary, they do not avoid hexanol and benzaldehyde, odorants that have nothing in common in their spectra (neither in odoθr character) with thiols or boranes. It seems that the flies perceive decaborane as having a similar odoθr to β-mercaptoethanol just like us, humans. The cyanohydrins were also investigated, molecules that have the -OH group on the same carbon as the -C≡N resulting in the nitrile being affected by the charge and eliminated in the IR spectrum. In addition, the metallic odor that is characteristic of the nitrile is also gone. The flies trained to avoid 2-hydroxynitrile (cyanohydrin) do not avoid its isomer, while those trained with 3-hydroxynitrile later avoid a different nitrile, citronellyl nitrile. Thus, it is shown that the flies recogniσe the common vibration between the nitriles and the lack thereof from 2-hydroxybutyronitrile. The general conclusion is that flies as well as humans use the vibration method in some, if not all, cases of recognition of odorants.

Διερευνήθηκε η «θεωρία των δονήσεων» ως πιθανός μηχανισμός όσφρησης στους ανθρώπους και τη μύγα Drosophila melanogaster για την καλύτερη ανίχνευση περιβαλλοντικών ρυπαντών και πιθανή εφαρμογή σε ανιχνευτικούς βιοαισθητήρες. Ο μηχανισμός ανίχνευσης των οσμογόνων μορίων κατά τη διαδικασία της όσφρησης είναι μέχρι σήμερα άγνωστος. Η εν λόγω διατριβή μελετά τη «θεωρία των δονήσεων» ως συνιστώσα του μηχανισμού της όσφρησης και τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο ρόλος της είναι σημαντικός. Ένα από τα βασικότερα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκε για την διερεύνηση του μηχανισμού των δονήσεων είναι η δευτερίωση. Τα ισοτοπόλογα (μόρια που περιέχουν διαφορετικά ισότοπα) θα πρέπει να μυρίζουν και διαφορετικά, σύμφωνα με τη θεωρία των δονήσεων διότι αλλάζει το προφίλ των μοραιακών δονήσεών τους ενώ διατηρείται η μορφή τους, σε αντίθεση με άλλα μόρια ίδιου σχήματος τα οποία έχουν ταυτόσημες δονήσεις και άρα κοινή οσμή. Έτσι λοιπόν, δύο μόρια που έχουν ίδια μορφή αλλά διαφορετικές μοριακές δονήσεις είναι ιδανικά για τον έλεγχο της θεωρίας των δονήσεων. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε ανθρώπους με έναν μόσχο (musks είναι πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στην αρωματοποιία), το κυκλοπενταδεκανόνη, το οποίο δευτεριώθηκε από εμάς και αξιολογήθηκε οσφρητικά σε σχέση με το αρχικό του ισοτοπόλογο από έντεκα εθελοντές. Η συντριπτική πλειοψηφία βρήκε τα δύο δείγματα διαφορετικά από άποψη οσμής και όλοι συμφώνησαν ότι το δευτεριωμένο έχει μια οσμή καμένου ή καβουρντισμένου ή ξηρού καρπού. Στη συνέχεια, έγιναν πειράματα συμπεριφοράς κλασικής εξαρτημένης μάθησης (Pavlov) με μύγες Δροσόφιλα κατά τα οποία δοκιμάστηκαν μόρια-ρυπαντές είτε σε δευτεριωμένη μορφή είτε όχι. Τα πειράματα έγιναν με τη βοήθεια του λαβυρίνθου σχήματος Τ. Διερευνήθηκε η περίπτωση των βορανίων τα οποία χαρακτηρίζονται από θειούχα οσμή ενώ δεν περιέχουν κανένα άτομο θείου. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν πως οι μύγες που εκπαιδεύονται να αποφύγουν τη β-μερκαπτοαιθανόλη αποφεύγουν μετέπειτα το δεκαβοράνιο και το αντίστροφο, ενώ δεν αποφεύγουν την εξανόλη και τη βενζαλδεΰδη που δεν έχουν τίποτα κοινό στα φάσματά τους ούτε και στην οσμή. Άρα απ’ ότι φαίνεται, οι μύγες αντιλαμβάνονται κι αυτές σαν κι εμάς το δεκοβαράνιο ως παραπλήσιας οσμής με τη β-μερκαπτοαιθανόλη και άρα αντιλαμβάνονται τις δονήσεις των μορίων. Επίσης, διερευνήθηκε η περίπτωση των κυανυδρινών, δηλαδή μόρια που έχουν το -ΟΗ στον ίδιο άνθρακα που είναι και το νιτρίλιο με αποτέλεσμα, ο δεσμός του νιτριλίου -C≡N να επηρεάζεται από το κοντινό φορτίο και να απαλείφεται στο φάσμα υπέρυθρης ακτινοβολίας κι επιπλέον να εξαφανίζεται η μεταλλική οσμή που είναι χαρακτηριστική του νιτριλίου. Οι μύγες που εκπαιδεύτηκαν να αποφεύγουν το 2-υδροξυνιτρίλιο (κυανυδρίνη) δεν απέφυγαν το ισομερές του, ενώ εκείνες που εκπαιδεύτηκαν με το 3-υδροξυνιτρίλιο απέφυγαν στη συνέχεια ένα διαφορετικό νιτρίλιο, το κιτρονελλονιτρίλιο. Έτσι αποδεικνύεται ότι οι μύγες αναγνωρίζουν την κοινή δόνηση ανάμεσα στα νιτρίλια και την έλλειψη αυτής στο 2-υδροξυβουτυρονιτρίλιο. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι πως οι μύγες όπως και ο άνθρωπος χρησιμοποιούν τη μέθοδο των δονήσεων, σε κάποιες, αν όχι όλες τις περιπτώσεις αναγνώρισης ρυπαντών και γενικότερα οσμογόνων ουσιών. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής είναι ουσιαστικής σημασίας για τη μελλοντική έρευνα του θέματος είτε αυτή συνεχιστεί με πειράματα συμπεριφοράς είτε χρησιμοποιηθεί η μέθοδος απεικόνισης σε μύγες και άλλα έντομα. Επίσης, πιθανώς να αποτελέσουν ένα ακόμα μικρό βήμα ως προς την κατανόηση και κατασκευή επιτυχημένων βιοαισθητήρων με σκοπό την βελτίωση της περιβαλλοντικής μελέτης αλλά και μεταξύ άλλων της ιατρικής επιστήμης.