Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах

Подходят ли для этой задачи какие-то химические сенсоры? Зависит от того, нужно ли нам, чтобы аппарат хоть немного походил на биологический нос. Выше уже шла речь о двух типах сенсоров: оксидированном металле и проводящих полимерах. Оба умеют различать химические вещества, но вопрос в том, пользуются ли они теми же критериями, что и нос. В главе третьей мы обсуждали, какие молекулярные параметры лучше всего коррелируют с какими типами запахов. Форма и размер молекулы в целом более важны для запаха, чем функциональные группы. Если помните, спирты с разной формой молекулы пахнут по-разному (например, 3-гексенол с травяным запахом и 1-октен-3-ол – с грибным), но их ольфакторные характеристики не слишком меняются, если алкогольную группу заменить альдегидной или кетоновой. Все это следует учитывать при выборе сенсоров. Нам нужны сенсорные элементы, реагирующие одинаково на 3-гексенол и 3-гексеналь, но отличающие 3-гексенол от 1-октен-3-ола. Если эти химические детекторы будут не в состоянии отличить один спирт от другого (притом что пахнут они совершенно по-разному), никакой «софт» нам уже не поможет.

Даже чтобы придумать «хард» электронного носа и выбрать для него сенсоры, нам уже нужно обладать хотя бы базовыми знаниями о том, как работает биологический нос. Фактически искусственный аппарат, копирующий модус работы биологического, должен пользоваться тем же типом языка, хотя и необязательно тем же алфавитом. Выходит, что проводящие полимеры – лучшие из доступных сенсоров с искомыми характеристиками, хотя их работа в сравнении с белками носа все еще очень примитивна.

Биосенсоры для электронного носа

Тогда почему не использовать ольфакторные рецепторы? Насколько нам известно, мембранные белки, как и многие другие типы рецепторов, вещь деликатная и нуждается в комплексной среде мембраны для сохранения своих связывающих свойств. При теперешнем уровне технологий невозможно включить ольфакторные рецепторы в электронные схемы и при этом ожидать, что они продолжат исправно связывать и распознавать ароматы.

Однако существует другой класс белков, тоже участвующих в ольфакции и вносящих свою лепту в различение пахучих веществ. Ранее мы уже подробно описывали состав и характеристики ОСБ и то, как компактная структура делает их устойчивыми к температурной денатурации и прочим суровым внешним условиям. К тому же они просты и дешевы в синтезе, делая возможным массовое производство биосенсоров на основе ОСБ. В сравнении с прочими сенсорами белки уникальны, так как их легко модифицировать путем целевых мутаций избранных сегментов, добиваясь тем самым нужных связывающих свойств. Эту возможность уже подтвердили экспериментально на материале нескольких ОСБ. Она основывается на детальных знаниях о трехмерной структуре многих представителей этого класса и компьютерных технологиях, способных достаточно надежно прогнозировать эффект конкретных мутаций на связывающие способности белка.

Сейчас использование ОСБ в качестве биосенсоров находится на передовом крае исследований, нацеленных на моделирование обоняния электронными средствами. Но есть у этой методики и слабое место – преобразование. Как получить электрический сигнал от неосложненного связывания белком молекулы одоранта? Есть сообщения о нескольких увенчавшихся успехом попытках, но этого, увы, еще слишком мало для той надежности, которая требуется от коммерческих устройств. ОСБ уже удалось инкорпорировать в биотранзисторы, способные давать электрический сигнал всякий раз, как белок захватывает молекулу одоранта. Для обоих подходов требуются довольно продвинутые технологии, но эти отрасли стремительно развиваются.

Сколько нужно сенсоров?

Чтобы построить искусственный нос, нужно очень много сенсоров, так как наш ольфакторный язык основывается на большом количестве запахов, у каждого из которых свой характер. В смеси, содержащей, скажем, корицу, гвоздику, кокос, лимон и еще ряд ароматных нот, мы биологически в состоянии засечь и различить все эти ингредиенты. Хотя всякий запах распознается по комбинаторному коду, у него великое множество элементов, и каждый воспринимается носом по-разному. Запахи могут смешиваться, но только до некоторой степени, и ольфакторный комбинаторный код, к сожалению, не похож на простой цветовой код нашего зрения. Желтый цвет нетрудно получить, смешав зеленый и красный, или фиолетовый – из красного и синего, но нам никогда не удастся воспроизвести аромат роз, просто смешав мяту и сыр, или лимон и перец, или еще что-нибудь с чем-нибудь из самых элементарных повседневных запахов.