Διερεύνηση του μηχανισμού ανίχνευσης περιβαλλοντικών ρυπαντών με βιολογικούς αισθητήρες

Μανιάτη, Κλειώ; Maniati, Kleio

dc.contributor.author	Μανιάτη, Κλειώ	el
dc.contributor.author	Maniati, Kleio	en
dc.date.accessioned	2018-02-16T09:37:55Z
dc.date.available	2018-02-16T09:37:55Z
dc.date.issued	2018-02-16
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/46533
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.2878
dc.rights	Default License
dc.subject	Όσφρηση	el
dc.subject	Θεωρία των δονήσεων	el
dc.subject	Πειράματα συμπεριφοράς	el
dc.subject	Ανελαστική σήραγγα ηλεκτρονίων	el
dc.subject	Φάσμα υπέρυθρης ακτινοβολίας	el
dc.subject	Olfaction	el
dc.subject	Vibrational theory	el
dc.subject	Behavioural experiments	el
dc.subject	Inelastic electron tunnelling	el
dc.subject	Infra-red spectroscopy	el
dc.title	Διερεύνηση του μηχανισμού ανίχνευσης περιβαλλοντικών ρυπαντών με βιολογικούς αισθητήρες	el
dc.contributor.department	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών. Εργαστήριο Γενικής Χημείας	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Μηχανισμός της όσφρησης	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-02-05
heal.abstract	Ο μηχανισμός ανίχνευσης των οσμογόνων μορίων κατά τη διαδικασία της όσφρησης εγείρει πολλά ερωτήματα μέχρι και σήμερα. Σε αντίθεση με τις υπόλοιπες αισθήσεις των θηλαστικών, η όσφρηση δεν έχει αποκωδικοποιηθεί πλήρως. Η πιο γνωστή υπόθεση για τον μηχανισμό της όσφρησης ήταν η θεωρία της δομής (και η οποία παραμένει μέχρι σήμερα η πιο δημοφιλής), η οποία αναφέρει ότι ένα οσμογόνο μόριο που πλησιάζει έναν οσφρητικό υποδοχέα θα προσδεθεί μαζί του μόνο αν το σχήμα του και αυτό του υποδοχέα ταιριάζουν ακριβώς όπως και το κλειδί με την κλειδαριά. Αυτό συνεπάγεται ότι μόρια με παρόμοιες δομές προσδένονται στους ίδιους υποδοχείς και άρα χαρακτηρίζονται από την ίδια οσμή. Κάτι τέτοιο όμως δεν ισχύει με όλα τα οσμογόνα μόρια και οι εξαιρέσεις αυτού του κανόνα είναι πολλές. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι το μόριο της αιθανόλης που μυρίζει οινόπνευμα και της αιθανοθειόλης που μυρίζει σαν χαλασμένο αυγό (δηλαδή θειούχα) παρ’ όλο που οι δομές τους είναι παρόμοιες (στην αιθανοθειόλη, αντί για ένα άτομο οξυγόνου υπάρχει ένα άτομο θείου). Το 1996, επανέρχεται στην επιφάνεια μία παλιότερη θεωρία για την όσφρηση, η οποία αναφέρεται στις δονήσεις του οσμογόνου μορίου και όχι στη δομή του. Ο Luca Turin, βασιζόμενος πλέον στα νέα δεδομένα του οσφρητικού συστήματος πλαισιώνει προϋπάρχουσες μελέτες (ήδη από τη δεκαετία του '30), εισάγοντας έναν κβαντικό μηχανισμό για την αναγνώριση των μορίων που προσομοιάζει τη λειτουργία ενός φασματοσκοπίου. Ο μηχανισμός αυτός είναι η ανελαστική σήραγγα ηλεκτρονίων. Δηλαδή ο κάθε υποδοχέας ενεργοποιείται με μία μοριακή δόνηση ενέργειας Ε, η οποία μόλις αντιστοιχηθεί με κάποιο οσμογόνο μόριο ίδιας ενέργειας (ιδιοσυχνότητας), θα θέσει σε λειτουργία τη διαδικασία μεταφοράς του σήματος της οσμής στον εγκέφαλο. Σε αυτήν την περίπτωση, μόρια που έχουν παρόμοιο ενεργειακό φάσμα (ένας τρόπος απεικόνισης είναι η απορρόφηση της υπέρυθρης ακτινοβολίας), θα εμφανίζουν και όμοια οσμή. Έτσι θα μπορούσε να εξηγηθεί γιατί η αιθανοθειόλη με την αιθανόλη έχουν τόσο διαφορετικές οσμές: η αιθανοθειόλη, που περιέχει το δεσμό -SH έχει πολύ διαφορετικό φάσμα απορρόφησης υπέρυθρης ακτινοβολίας απ’ ότι η αιθανόλη. Πάνω σε αυτή τη θεωρία έχουν βασιστεί τα παρακάτω πειράματα προκειμένου να ελεγχθεί κατά πόσο είναι σημαντική η μοριακή δόνηση της οσμογόνου ένωσης κατά την αναγνώρισή της από τον υποδοχέα. Αν βρεθεί μια καθολική και καθοριστική απάντηση στο ερώτημα της θεωρίας του μηχανισμού της όσφρησης, θα είναι εφικτή η κατασκευή βιοαισθητήρων, οι οποίοι θα μπορούν να αναγνωρίζουν άμεσα και με ακρίβεια την ποιότητα και τη συγκέντρωση των περιβαλλοντικών ρυπαντών. Οι οργανισμοί που χρησιμοποιήθηκαν ήταν ο άνθρωπος και η μύγα Drosophila melanogaster. Η μύγα Δροσόφιλα είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο για γενετικές διαδικασίες, είναι πολύ εύχρηστο, έχει μικρό κύκλο ζωής και η συντήρησή του δεν έχει μεγάλο κόστος. Πειράματα οσφρητικών δοκιμών πραγματοποιήθηκαν και με τα δύο είδη οργανισμών. Ένα από τα βασικότερα εργαλεία που χρησιμοποιήθηκαν για τη διερεύνηση του μηχανισμού των δονήσεων είναι η δευτερίωση. Η δευτερίωση ενός μορίου είναι η αντικατάσταση των ατόμων υδρογόνου από δευτέρια, δηλαδή άτομα υδρογόνου που όμως έχουν ένα νετρόνιο στον πυρήνα τους. Δηλαδή τα δευτέρια έχουν διπλάσιο βάρος από τα υδρογόνα, αλλά επειδή το νετρόνιο είναι πολύ μικρό σε μέγεθος, δεν αλλάζει καθόλου το μέγεθος των δευτερίων. Οι δονήσεις όμως αλλάζουν γιατί το μόριο είναι πιο βαρύ και άρα κινείται πιο αργά. Αυτό συνεπάγεται ότι, σύμφωνα με τη θεωρία των δονήσεων, τα ισοτοπόλογα (μόρια που περιέχουν διαφορετικά ισότοπα) θα πρέπει να μυρίζουν και διαφορετικά. Έτσι λοιπόν, δύο μόρια που έχουν ίδια μορφή αλλά διαφορετικές μοριακές δονήσεις είναι ιδανικά για τον έλεγχο της θεωρίας των δονήσεων. Πραγματοποιήθηκαν δοκιμές σε ανθρώπους με έναν μόσχο (πρώτη ύλη που χρησιμοποιείται στην αρωματοποιία), το Exaltone®, το οποίο δευτεριώθηκε από εμάς και δόθηκε σε έντεκα εθελοντές για οσφρητική αξιολόγηση σε σχέση με το ισοτοπόλογό του. Η συντριπτική πλειοψηφία βρήκε τα δύο δείγματα διαφορετικά από άποψη οσμής. Η μόνη διαφορά ανάμεσα στον απλό και τον δευτεριωμένο μόσχο είναι το δονητικό τους προφίλ, άρα το πείραμα δίνει μία σαφή ένδειξη για την συσχέτιση οσμής και μοριακών δονήσεων. Επίσης, έγιναν πειράματα συμπεριφοράς κλασικής εξαρτημένης μάθησης (Pavlov) με μύγες Δροσόφιλα στα οποία χρησιμοποιήθηκαν μόρια-ρυπαντές είτε σε δευτεριωμένη μορφή είτε όχι. Τα πειράματα έγιναν με τη βοήθεια του λαβυρίνθου σχήματος Τ, στη μέση του οποίου έρχονταν αντιμέτωπες οι μύγες με δύο ρεύματα οσμής από διαφορετικές κατευθύνσεις κι έπρεπε να κατευθυνθούν επιλεκτικά προς το ένα ή το άλλο. Το πείραμα ξεκινούσε με εκπαίδευση της Δροσόφιλας μέσω ηλεκτροσόκ των 90 V στα πόδια για 1 λεπτό περίπου και ταυτόχρονη έκθεση σε οσμή. Κατά την διάρκεια της εκπαίδευσης, οι μύγες μάθαιναν ότι η οσμή συνδυάζεται με αρνητική αίσθηση. Αμέσως μετά την εκπαίδευση, εμφανιζόταν μια άλλη οσμή. Αν οι μύγες την απέφευγαν και κατευθύνονταν προς το άλλο ρεύμα οσμής, σήμαινε ότι τα δύο μόρια που χρησιμοποιήθηκαν (η οσμή εκπαίδευσης και η οσμή δοκιμασίας) είχαν κάποιο κοινό στοιχείο, αρκετό ώστε οι μύγες να θεωρήσουν και τη νέα οσμή ως «αρνητική» και προς αποφυγή. Το κοινό χαρακτηριστικό των μορίων ήταν οι μοριακές τους δονήσεις. Επειδή τα ισοτοπόλογα ως εργαλείο της θεωρίας των δονήσεων έχουν προκαλέσει αντιδράσεις στο παρελθόν, για τις πιθανές διαφορές στις ιδιότητές τους και άρα την πιθανότητα οι διαφορές στην οσμή τους να οφείλονται εκεί και όχι στις μοριακές δονήσεις τους, επιλέχθηκαν για τα πειράματα συμπεριφοράς, εκτός από τα δευτεριωμένα, και ζευγάρια οσμών με παρόμοιο φάσμα και πολύ διαφορετική δομή ή με ίδια δομή και διαφορετικό φάσμα, αλλά όχι ισοτοπόλογα. Στην πρώτη κατηγορία μορίων ανήκουν οι ρυπαντές β-μερκαπτοαιθανόλη και το δεκαβοράνιο. Μολονότι έχουν πολύ διαφορετικό σχήμα μεταξύ τους, ο δεσμός του βορανίου -BH και της θειόλης -SH έχουν μία κοινή κορυφή στο φάσμα υπέρυθρης ακτινοβολίας στα 2500-2600 cm-1. Από τις αρχές του περασμένου αιώνα έχει καταγραφεί ανεξήγητη κοινή οσμή μεταξύ τους, δηλαδή το βοράνιο χαρακτηρίζεται από θειούχα οσμή ενώ δεν περιέχει θείο. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων έδειξαν πως οι μύγες που εκπαιδεύονται να αποφύγουν τη β-μερκαπτοαιθανόλη αποφεύγουν μετέπειτα το δεκαβοράνιο και το αντίστροφο, ενώ δεν αποφεύγουν την εξανόλη και τη βενζαλδεΰδη που δεν έχουν τίποτα κοινό στα φάσματά τους ούτε και στην οσμή. Συμπεραίνεται λοιπόν, πως οι μύγες αντιλαμβάνονται το δεκοβαράνιο, ακριβώς όπως και οι άνθρωποι, ως παραπλήσιας οσμής με τη β-μερκαπτοαιθανόλη. Στη δεύτερη κατηγορία μορίων ανήκει το ζεύγος 2-υδροξυβουτυρονιτρίλιο και 3-υδροξυβουτυρονιτρίλιο, τα οποία είναι ισομερή που όμως διαφέρουν στην οσμή και στο φάσμα. Το 2-υδροξυβουτυρονιτρίλιο είναι μία κυανυδρίνη, δηλαδή έχει το -ΟΗ στον ίδιο άνθρακα που είναι και το νιτρίλιο με αποτέλεσμα, ο δεσμός του νιτριλίου -C≡N να επηρεάζεται από το κοντινό φορτίο και να απαλείφεται στο φάσμα υπέρυθρης ακτινοβολίας κι επιπλέον να εξαφανίζεται η μεταλλική οσμή που είναι χαρακτηριστική του νιτριλίου. Οι μύγες που εκπαιδεύτηκαν να αποφεύγουν το 2-υδροξυνιτρίλιο δεν απέφυγαν το ισομερές του, ενώ εκείνες που εκπαιδεύτηκαν με το 3-υδροξυνιτρίλιο απέφυγαν στη συνέχεια ένα διαφορετικό νιτρίλιο, το κιτρονελλονιτρίλιο. Έτσι, αποδεικνύεται ότι οι μύγες αναγνωρίζουν την κοινή δόνηση ανάμεσα στα νιτρίλια και την έλλειψη αυτής στο 2-υδροξυβουτυρονιτρίλιο. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι πως οι μύγες, όπως και ο άνθρωπος, χρησιμοποιούν τη μέθοδο των δονήσεων σε κάποιες, αν όχι όλες τις περιπτώσεις αναγνώρισης οσμογόνων ουσιών. Τα αποτελέσματα της παρούσας διατριβής θεωρούνται ουσιαστικής σημασίας για τη μελλοντική έρευνα του θέματος είτε αυτή συνεχιστεί με πειράματα συμπεριφοράς είτε χρησιμοποιηθεί η μέθοδος απεικόνισης σε μύγες και άλλα έντομα. Επίσης, πιθανώς να αποτελέσουν ένα βήμα ως προς την κατασκευή επιτυχημένων βιοαισθητήρων με σκοπό τη χρήση σε ιατρικές και περιβαλλοντικές εφαρμογές.	el
heal.advisorName	Χαραλάμπους, Αικατερίνη-Ιωάννα	el
heal.committeeMemberName	Λοϊζίδου, Μαρία	el
heal.committeeMemberName	Σκουλάκης, Ευθύμιος	el
heal.committeeMemberName	Μπεάζη–Κατσιώτη, Μαργαρίτα	el
heal.committeeMemberName	Κόλλια, Κωνσταντίνα	el
heal.committeeMemberName	Παυλάτου, Ευαγγελία	el
heal.committeeMemberName	Παναγιώτου, Γεώργιος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Χημικών Επιστημών. Εργαστήριο Γενικής Χημείας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	150 σ.
heal.fullTextAvailability	true