Нанесение на поверхность полимерных нанотрубок белков, обнаруженных во вкусовых сосочках человеческого языка, позволило исследователям из Кореи разработать искусственный язык, распознающий соединения, горькие для нас. Новое устройство может обнаруживать два соединения в фемтомолярных концентрациях, что делает его в 100000 раз более чувствительным сенсором на эти молекулы, чем устройства, разработанные ранее.

Исследовательские группы во всем мире пытаются разработать электронные сенсоры вкуса для того, чтобы заменить людей-дегустаторов в нелегком деле оценки качества продуктов питания и напитков, уменьшить стоимость процесса такой оценки и сократить время на проведение анализа. Существующие в настоящее время искусственные языки работают за счет того, что присутствующие в этих сенсорах липиды, полимеры и красители могут связываться с определенными молекулами, обеспечивающими вкус, в результате чего генерируется электрический или иной сигнал.

Однако, как утверждает руководитель проекта Тай Хюн Парк (Tai Hyun Park), такие сенсоры не отличаются ни чувствительностью, ни селективностью и, например, не могут обнаружить следовые количества целевых соединений в сложных смесях.

Рис. 1. Рисунок из Nano Lett., DOI:10.1021/nl3038147.

Для получения более эффективного сенсора Парк с коллегами решил использовать природные вкусовые рецепторы, которые локализованы на языке человека. Когда горькие соединения определенного строения связываются с белками вкусовых рецепторов, белки генерируют электрические сигналы, которые считываются мозгом.

Исследователи закрепили белки вкусовых рецепторов на нанотрубках, полученных из электропроводного полимера полипиррола за счет аминогрупп белка. Затем исследователи осадили нанотрубки на серебряных и платиновых электродов и получили транзисторы.

Исследователи проверили отклик устройства на присутствие четырех горьких соединений – фенилтиокарбамида, пропилтиоурацила, гоитрина и изотиоцианата. Когда эти соединения связывались с белковым покрытием нанотрубок, сила тока, протекающего по транзистору, изменялась.

Новый сенсор мог определять фемтомолярную концентрацию фенилтиокарбамида и концентрацию пропилтиоурацила в 10 фемтомоль/л (в обоих случаях в буферном растворе). Что же касается гоитрина и изотиоцианата, новый сенсор позволяет определять пикомолярные концентрации эти соединений в образцах, выделенных из капусты и брокколи.

Исследователи также проверили, как работает сенсор при анализе смесей, одновременно содержащих молекулы, обеспечивающие такие вкусы, как горький, сладкий и умами. Устройство реагировало только на соединения, обладающие горьким вкусом, даже если они присутствуют в смеси в фемтомолярной концентрации. Парк заявляет, что

в планах исследователей из его группы получить сенсоры на сладкое и вкус умами, также за счет использования вкусовых рецепторов человека, распознающих эти вкусы.

Киоси Токо (Kiyoshi Toko) из Университета Киюси, разработавший в 1990 году первый электронный язык, отмечает, что использование человеческих вкусовых рецепторов для подобных систем, однозначно является новинкой и моделирует способности биологической ткани обнаруживать определенные соединения в составе смеси.

Вместе с тем, он подчеркивает, что белковые рецепторы со временем могут денатурировать, что должно приводить к уменьшению чувствительности нового устройства. Это обстоятельство означает, что для того, чтобы использовать новую систему в промышленности, корейским ученым необходимо найти способ стабилизации белковых рецепторов.