Un team di ingegneri chimici e biologici dell’Università Nazionale di Seoul, in Corea del Sud, ha sviluppato il prototipo di un dispositivo proof-of-concept che potrebbe aprire la strada alla creazione di un naso artificiale. Questo innovativo sistema è in grado di rilevare acidi grassi a catena corta nei campioni d’aria, combinando recettori olfattivi umani con sinapsi organiche artificiali e una rete neurale artificiale
Il sistema olfattivo artificiale: il naso che “fiuta” il cancro
Naso artificiale. Ultimamente, gli scienziati stanno cercando di migliorare i robot umanoidi con tecnologie che possano imitare i sensi umani: telecamere per gli occhi, ad esempio, e sonde inserite nella pelle artificiale per imitare il senso del tatto. Tuttavia, uno dei sensi che non ha ancora fatto molti progressi è l’olfatto.
I dispositivi esistenti sono in grado di rilevare la presenza di una molecola o di un composto predeterminato in un campione d’aria, ma mancano della capacità di generalizzare. Per superare questi limiti, il team di Hyun Woo Song e colleghi ha cercato di estendere tali capacità combinando più tipi di tecnologie consolidate.
Nello specifico ha progettato un “naso” artificiale, in grado di distinguere le molecole odorose a livello della lunghezza della catena molecolare. Questo è stato possibile grazie all’integrazione di recettori olfattivi umani con dispositivi sinaptici organici. In pratica, il sistema genera pattern di conduttanza distinti per le diverse sostanze odorose e le loro miscele, permettendo un riconoscimento preciso tramite simulazioni di addestramento e inferenza. Questa metodologia offre un approccio avanzato per la discriminazione degli odori a livello molecolare. Approfondiamo la questione.
La struttura del dispositivo
Il dispositivo funziona combinando diverse tecnologie all’avanguardia. Vediamo le tre componenti principali:
- Nanodischi con recettori olfattivi umani modificati: i recettori, coltivati utilizzando batteri E. coli, sono progettati per reagire specificamente a diverse molecole odorose;
- Dispositivo che simula le Sinapsi Neurali: questo componente riproduce il comportamento delle sinapsi biologiche, trasmettendo segnali in risposta alle interazioni chimiche con le molecole odorose;
- Rete neurale artificiale: elabora i segnali trasmessi dal dispositivo sinaptico, permettendo il riconoscimento e la classificazione degli odori.
E poi?
Il processo di rilevamento
Quando un campione d’aria viene fornito al dispositivo, le molecole odorose nel campione si legano ai recettori olfattivi in modi unici. L’informazione proveniente dal primo dispositivo viene trasmessa al secondo, che risponde in modi predeterminati decifrati dalla rete neurale artificiale.
Questi ultimi sono bioingegnerizzati e accoppiati a sinapsi organiche artificiali, che mimano il comportamento delle sinapsi biologiche nel cervello umano. Ebbene, l’informazione proveniente dal primo dispositivo viene trasmessa al secondo (attraverso dei segnali elettrici), che risponde in modi predeterminati decifrati dalla rete neurale artificiale. Successivamente, una rete neurale artificiale elabora questi segnali, riconoscendo i pattern specifici associati a diverse molecole odorose, tra cui gli acidi grassi a catena corta, che sono marcatori biologici potenziali per il cancro.
Addestramento e implicazioni per la diagnostica medica
Per determinare quale odore, se presente, sia nel campione d’aria, i ricercatori hanno addestrato la rete neurale con campioni specifici, in questo caso acidi grassi a catena corta, che variano da tre a sei molecole di carbonio. Il team ha scelto quattro acidi grassi specifici noti per essere presenti nei campioni di respiro di persone con alcuni tipi di tumori gastrici.
Risultato?
Il dispositivo si è rivelato accurato al 90% nel distinguere tra i quattro tipi di acidi grassi.
Questa tecnologia potrebbe rivoluzionare la diagnostica medica. La capacità di rilevare acidi grassi a catena corta nei campioni d’aria potrebbe essere utilizzata per identificare precocemente il cancro, sfruttando i cambiamenti nei profili chimici che avvengono quando una persona sviluppa la malattia. Il naso artificiale, grazie alla sua precisione e sensibilità, potrebbe diventare insomma uno strumento essenziale per i medici, offrendo un metodo non invasivo per il rilevamento del cancro e altre patologie.
Futuri sviluppi
Sebbene il dispositivo sia attualmente in fase di proof-of-concept, i risultati promettenti indicano un potenziale significativo per futuri sviluppi. Gli scienziati continuano a perfezionare la tecnologia, puntando a migliorare la sensibilità e la specificità del sistema. L’obiettivo finale è creare un dispositivo portatile e facile da usare che possa essere impiegato in ambito clinico per la diagnosi precoce delle malattie.
Il team di ricerca prevede altresì di continuare il lavoro aggiungendo ulteriori recettori. In questo modo si potrebbe aumentare a capacità del dispositivo di riconoscere un numero maggiore di molecole odorose e potenzialmente di diagnosticare altre malattie.
Fonti
Hyun Woo Song e colleghi. ”A pattern recognition artificial olfactory system based on human olfactory receptors and organic synaptic devices,” pubblicato su Science Advances (2024)