Varje dag, tusentals tränade K9-hundar snusar på narkotika, sprängämnen och försvunna människor över hela USA. Dessa hundar är ovärderliga för säkerheten, men de är också väldigt dyra och de kan bli trötta.

Duke-forskare har tagit de första stegen mot att bygga en konstgjord "robotnäs"-anordning gjord av levande musceller som officerare kan använda istället för hundar.

Forskarna har utvecklat en prototyp baserad på luktreceptorer odlade från gener från möss som svarar på mållukter, inklusive lukten av kokain och sprängämnen. Deras arbete dök upp tidigare denna månad i Naturkommunikation .

Det visar sig att det finns ett par mycket stora skillnader mellan att testa saker i en labbskål och att testa dem i en verklig näsa.

"Denna idé om en konstgjord näsa har funnits länge, " sa senior studieförfattare Hiroaki Matsunami, professor i molekylär genetik och mikrobiologi vid Duke School of Medicine. "Receptorerna identifierades på 1990-talet, men det finns betydande tekniska hinder för att producera alla dessa receptorer och övervaka aktiviteten så att vi kan använda det i en konstgjord enhet."

"E-näsor" som finns nu använder olika kemiska föreningar för att upptäcka lukt istället för receptorstamceller, sa Matsunami. Han sa att dessa enheter "inte är lika bra som en tränad hund."

"Tanken är att genom att använda den faktiska, levande receptorer, kanske vi kan utveckla en enhet som liknar djur, " Sade Matsunami. "Ingen har uppnått det ännu, men den här studien går mot det målet."

Mänsklig, hund- och mus-genom innehåller cirka 20, 000 gener, som innehåller instruktioner för att skapa proteiner som luktar, smak, känna, röra på sig och göra allt som våra kroppar gör. Cirka 5 procent av musgener har identifierats som instruktioner för att göra luktreceptorer, sa Matsunami. I kontrast, människor använder bara cirka 2 procent av sina gener för att göra luktreceptorer.

"Dessa djur investerar mycket resurser för detta ändamål, "Matsunami sade. "Möss och råttor är mycket bra luktar; vi använder bara inte möss för att upptäcka sprängämnen i verkligheten. Det finns några praktiska problem att göra det."

Det första steget i studien var att identifiera de bästa luktreceptorerna för att svara på mållukter som kokain eller marijuana.

Forskarna skapade ett flytande medium primat med molekyler som kunde lysa upp från reaktioner. Därefter kopierade de ungefär 80 procent av luktreceptorerna från möss, och blandade dessa receptorer med sju målluktkemikalier i mediet.

De mätte den resulterande luminescensen och valde de bäst presterande luktreceptorerna för den andra delen av studien, som övervakade receptoraktivering i realtid.

Tidigare forskning hade gjort detta genom att exponera utvalda receptorer för luktkemikalier i en vätska. Men det finns flera skillnader mellan petriskålen och näsan. För en, vi sänker sällan våra näsor i flytande bad med luktkemikalier. Istället, våra näsor upptäcker dofter från svävande parfymer eller stank som bärs i luften. Och våra näsor är fulla av slem.

Så, för andra halvan av studien, som stöddes av National Institute of Health-anslag DC014423 och DC016224 och Defense Advanced Research Project Agency RealNose Project, de försökte efterlikna hur vi använder våra näsor genom att utsätta luktämnen för ångor och några enzymer.

Forskarna testade receptorerna de hade identifierat mot två luktångor för denna studie.

"Vi testade bara två av dem i tidningen, men det visar principbeviset för hur det kan användas, " Sa Matsunami.

Forskarna hoppas att de kan finjustera enheten för att testa alla receptorer mot många olika lukter.

"Vi har en panel av receptorer så att vi kan övervaka hur olika receptorer reagerar olika på olika lukter, inklusive sådana som liknar varandra i kemisk struktur eller sådana som kan vara relaterade till verklig användning, som något kopplat till sprängämnen eller droger, " Sa Matsunami.

Forskarna testade också olika enzymer som man kan hitta i slem för att se hur de hjälpte eller hindrade reaktioner. Denna process är mer verklighetstrogen än ångmolekyler som direkt interagerar med luktreceptorer.

"Man skulle kunna tro när vi luktar en kemikalie, kemikalien skulle binda till den kemiska receptorn i näsan, men det är faktiskt inte så enkelt, " Sa Matsunami. "När kemikalien löser sig i nässlemmet innan den binds till receptorn, det kan omvandlas till en annan kemikalie av enzymer i nässlemmet."

Slem är en okänd gräns för att förstå hur vi luktar. Att rekonstruera nyckelkomponenterna i nässlem kan vara nästa steg mot att bygga en konstgjord näsa, enligt tidningen.

"Det är inte som att vårt papper omedelbart kommer att appliceras på en bärbar enhet som används på flygplatsen snart, men detta är ett viktigt steg framåt för att visa att det är möjligt, " Sa Matsunami. "Vi kan tydligare se vilken typ av hinder som ska passera för att samhället ska kunna skapa en sådan enhet."