Hybride Riechmaschinen

25.08.2010

Forscher kombinieren lebende Zellen mit Auswertungselektronik und schaffen so eine Riech-Maschine, deren Leistung rein technisch bisher nicht zu erreichen ist

Technische Geräte sehen mehr als der Mensch. Ob im Universum oder in der Nanowelt, viel bleibt dem Auge verborgen, das Technik sichtbar machen kann. Ähnliches gilt für das Hören: Maschinen nehmen Schallwellen in Bereichen wahr, die uns nicht nur aus Altersgründen verschlossen bleiben. Doch wenn es um den Geruchssinn geht, ist nicht mal der vergleichsweise armselig ausgestattete Mensch bisher von der Elektronik zu schlagen.

Ganz zu schweigen von vielen, uns weit überlegenen Tieren. Selbst einzelne Zellen können Chemikalien registrieren - sprich: Riechen. Das Spermium zum Beispiel orientiert sich auf der Suche nach der Eizelle an Maiglöckchenduft, wie Forscher herausgefunden haben. Dass die olfaktorische Wahrnehmung wohl den bisher am schlechtesten erforschten Sinn darstellt, hat mehrere Gründe. Zum einen ist ihm geschichtlich weniger Aufmerksamkeit zuteil geworden - Gerüche galten lange als etwas, das höchstens unangenehme Assoziationen weckte. Malerei und Musik wenden sich an Seh- und Hörsinn, doch wie populär sind Geruchs-Kunstwerke?

Afrikanischer Krallenfrosch (Xenopus laevis). Bild: Museoftheviolets. Lizenz: CC-BY-SA-3.0

Tatsache ist jedoch auch, dass der olfaktorische Sinn auch nicht einfach zu erschließen ist. Es genügt nicht, die Grundlage verstanden zu haben. Es kommt auf mehr als Wellenlängen und Amplituden an: Gerüche werden über unterschiedlichste chemische Stoffe vermittelt. Wenn wir herausgefunden haben, was Maiglöckchen so duften lässt, wie wir es im Frühjahr wahrnehmen, dann wissen wir noch lange nicht, warum Veilchen nach Veilchen riechen. Schon der Mensch besitzt über 400 unterschiedliche Rezeptoren, die auf der Riechschleimhaut auf einem Gebiet von je fünf Quadratzentimetern verteilt sind. Mit ihrer Hilfe lassen sich bis zu 10.000 Gerüche unterscheiden. In der Regel müssen dazu nur wenige Moleküle des Stoffes an den Rezeptoren andocken, um einen Eindruck hervorzurufen.

Eizellen des Afrikanischen Krallenfroschs als chemischer Sensor für eine Maschine

Wie lässt sich dieses Potenzial am besten in der Technik nutzen? Ein Weg wäre, den Mechanismus nachzubauen, den sich die Natur da ausgedacht hat. Eine andere Möglichkeit zeigen japanische Forscher in der aktuellen Ausgabe der Veröffentlichungen der US-Akademie der Wissenschaften (PNAS). In ihrem Paper beschreiben sie, wie Eizellen des Afrikanischen Krallenfroschs Xenopus laevis als chemischer Sensor für eine Maschine dienen können.

Dass die Forscher ausgerechnet diese Eizellen wählten, liegt an ihrer für die mobile Anwendung praktischen Größe von etwa einem Millimeter Durchmesser. Gentechnisch brachten die Wissenschaftler die Zellen dafür, Rezeptoren für unterschiedlichste Stoffe auszubilden, die bei verschiedensten Insekten ausgeliehen wurden. Dockt dann ein entsprechendes Molekül an den Rezeptoren der Zelle an, entsteht ein winziger Strom - den gilt es zu verstärken und auszuwerten. Das gelang den Forscher überraschend gut.

Die Eizellen erwiesen sich im Versuch als sehr robust. Zugleich konnten sie zwischen den verschiedensten, auch chemisch sehr ähnlichen Stoffen unterscheiden. Auf herkömmliche Weise hätte man dafür einen Gas-Chromatographen bemühen müssen. Da bisher rund 50 Rezeptoren von Insekten in der nötigen Weise bekannt sind, käme man mit einem auf den Krallenfrosch-Eizellen basierenden System schon recht weit. Dazu ist es nicht einmal nötig, die genaue Funktionsweise der Rezeptoren verstanden zu haben. Die mikrofluidische Apparatur, die die Forscher konstruiert haben, ist dabei gerade einmal 5 x 30 x 45 Millimeter groß. Sie könnte sich, so die Idee, gut als portabler Sensor etwa für das Umwelt-Monitoring eignen. In einem typisch japanischen Versuch bauten die Forscher ihr Gerät auch in einen Roboter-Kopf ein: Wann immer der Sensor dann einen bestimmten Geruch registrierte, führte der Kopf definierte Bewegungen aus.

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