Паоло Пелоси - Обоняние [Увлекательное погружение в науку о запахах]

Вероятно, первое печатное упоминание об устройстве, специально сконструированном для распознавания запахов, появилось в журнале Nature в 1982 году. Авторами материала стали Кришна Персо и Джордж Додд [1]. В те времена в продаже уже имелись элементарные сенсоры, способные засечь утечку бытового газа. Технически это просто дробь из оксидированного металла, у которой меняется электрическое сопротивление при контакте с разными газами. Такие датчики реагируют на многие вещества в газообразном состоянии, но крайне неразборчиво. Однако, применив в одном приборе сразу три типа таких сенсоров, Кришна умудрился собрать систему, регистрирующую несколько разных газов.

Так появилось первое работающее устройство (пусть даже совершенно базового уровня), способное различать запахи. Основная идея была использовать комбинаторный код – впоследствии она нашла себе подтверждение в биологической модели ольфакторной системы. Проще говоря, нам нужны не избирательные сенсоры для каждого типа запаха, а скорее детекторы с широкими, перекрывающимися реакциями, способные распознавать много разных стимулов, – конечно, при условии, что мы сможем измерять получаемый от них сигнал с достаточно высокой точностью.

Первый электронный нос, собранный Кришной, по принципам работы тяготел к цветовому зрению. В обоих случаях имеется три типа сенсоров с довольно низкой избирательностью – зато с возможностью довольно точно измерять ответ.

Идея комбинаторного кода до сих пор лежит в основе любого прибора с функцией различения запахов, однако сенсоры на оксидах металлов, к несчастью, не могут обеспечить достаточную степень версатильности для работы с широким спектром запахов, с которым шутя справляется человеческий нос. Но, как бы там ни было, эта статья стала настоящей вехой в истории искусственных носов, впервые продемонстрировав, что создание такого инструмента в принципе возможно, и обозначив направление дальнейших поисков.

Уже на том раннем этапе изучения только что открытых белков (которые вскоре получат имя одоранто-связывающих) я носился с идеей, что они могли бы выступить в роли сенсоров для искусственного устройства распознавания запахов. Уже тогда мы знали, что белки – очень нежные молекулы и обращаться с ними нужно с большой осторожностью. Они легко могут изменить форму, что приведет к модификациям активности или полной утрате функций. Поэтому на той стадии работы мы почти сразу же отвергли гипотезу с ОСБ как слишком авантюрную и недостаточно практичную. Интересно, что самые свежие исследования искусственных устройств по мониторингу запахов сосредоточиваются именно на ОСБ как самых многообещающих сенсорах.

Если оставить в покое белки, остаются полимеры, которые попали в фокус внимания тоже благодаря счастливой случайности. Полимеры – крупные молекулы, достаточно версатильные, чтобы включать разные органические соединения; их можно синтезировать по заказу под разные задачи. Газовые сенсоры Кришны были проводниками, чье электрическое сопротивление можно наблюдать. Но органические полимеры – изоляторы, причем такие хорошие, что их широко используют для защиты и изоляции электрических проводов и в других подобных целях.

Короче, для заявленных задач нам были нужны проводящие полимеры – казалось бы, противоречие, но на самом деле мнимое. Такие материалы давно существуют, просто популярными стали лишь в последнее время. В те времена больше всего внимания уделялось полимерам на основе ацетилена – это газ, которым освещали городские улицы до изобретения электрических ламп. Вплоть до недавних пор им пользовались спелеологи, так как он позволял им долго работать автономно.

Ацетилен – очень простая молекула, всего из двух атомов углерода, соединенных тройной связью. Связь эту можно частично открыть и образовать длинную цепочку углеродов, связанных между собой попеременно одинарными и двойными связями. Такие полимеры, дополнительно сдобренные ионами, могут проводить электрический ток. Помимо того что эти молекулы очень нестабильны, для электронного носа нужно много сенсоров, а из одного проводящего полимера (скажем, полиацетилена) все равно получится только один.

Как-то раз у нас в отделе читал лекцию приехавший с визитом американский ученый. От него я узнал еще об одном классе проводящих полимеров – с длинной цепочкой, состоящей из повторяющихся пирролов. В то время на эти полимеры никто особо не обращал внимания, так как с ними было много проблем. Во-первых, слишком высокое электрическое сопротивление (чтобы их можно было использовать в качестве замены медным проводам); во-вторых, нестабильная проводимость, на которую влияли пары аммиака и другие газы. Но все эти недостатки – как раз то, что нужно для универсальных газовых сенсоров. Вдобавок пиррольное кольцо легко модифицировать, добавляя всевозможные химические группы и цепочки и добиваясь таким образом реакции на разные газы.

Вскоре после этого Кришна надолго переехал ко мне в лабораторию и занялся одоранто-связывающими белками (об этом мы говорили в главе восьмой); параллельно мы с ним принялись исследовать еще и эту тему. Мы хотели подготовить несколько производных пиррола, на основе которых можно получить ряд проводящих полимеров с разными характеристиками.

Через несколько месяцев был готов первый прототип аппарата, состоящий из 20 сенсоров и способный различать разные соединения одного химического класса (например, спирты, или кетоны, или амины), отличающиеся друг от друга всего одним-двумя атомами углерода.

Программное обеспечение, целиком написанное Кришной, работало на Commodore-64 – одном из первых домашних ПК, с ОЗУ в 64 Кбайт и кассетным магнитофоном в роли хранилища данных.

Результаты экспериментов вызвали всеобщий интерес; дальше события начали развиваться очень быстро. Кришна перебрался в Манчестерский университет, где продолжал совершенствовать электронный нос. Вскоре устройство пошло в продажу. Прототип показали в лондонском Музее науки, а компактную версию установили на космической станции «МИР», где она несколько лет прилежно собирала данные [2].

Многие лаборатории приступили к работе над электронными носами – большинство выбрали в качестве регистрирующих элементов наборы проводящих полимеров, иногда в сочетании с газовыми сенсорами на оксидах металлов. Было основано несколько новых компаний; некоторые из них продолжают работу и по сей день. Название «искусственный» или «электронный нос» так понравилось публике, что заменять его более реалистичным никто не стал.