Elektronische neuzen kunnen 10 keer beter ruiken dan menselijke neuzen. Laten we eens kijken hoe het werkt en wat de toekomst brengt.


Iemand loopt door de deur van een café en ruikt een onherkenbare, bittere koffiegeur. Hij heeft echter al snel door dat de koffie Blue Mountain-bonen uit Jamaica is. Wie is deze persoon die het type koffie in zo'n korte tijd kan identificeren? Een veelvoorkomend antwoord is een barista, maar hier is zijn identiteit een elektrische neus. Een elektrische neus is een elektronisch apparaat dat de menselijke reukzin nabootst en wordt gebruikt om verschillende geuren te onderscheiden en hun samenstelling te analyseren. Tot nu toe registreerden camera's en recorders het menselijke zicht en gehoor als elektrische signalen. De komst van elektronische neuzen betekent dat de tijd is aangebroken dat zelfs de menselijke reukzin kan worden vastgelegd als een elektrisch signaal.

De elektronische neus bootst de manier na waarop mensen geuren waarnemen. Het menselijke reukwaarnemingsproces bestaat uit drie hoofdstappen. Eerst bindt de olfactorische receptor zich aan de geurmolecule, vervolgens wordt deze binding als een elektrisch signaal doorgegeven aan de hersenen en ten slotte analyseren de hersenen het signaal en herkennen de geur. Er zijn ongeveer 390 olfactorische receptoren in de neus, die de eerste stap vormen in het herkennen van een geur. Wat zou er gebeuren als één enkele reukreceptor slechts één geurmolecuul zou kunnen binden? We zouden beperkt zijn tot slechts 390 verschillende geuren! Om een verscheidenheid aan geuren te kunnen ruiken, moet een olfactorische receptor dus in staat zijn om meerdere gelijkaardige geurmoleculen te binden. Om onderscheid te kunnen maken tussen de verschillende moleculen, stuurt de reukreceptor elektrische signalen naar de hersenen met verschillende sterktes, afhankelijk van het type molecuul dat gebonden is. De hersenen vormen dan een mozaïek van de verschillende elektrische signalen van de verschillende olfactorische receptoren en nemen het patroon waar als een enkele geur. Door deze reeks processen kan de mens meer dan 10.000 verschillende geuren onderscheiden.

Elektronische neuzen maken gebruik van verschillende technologieën om de menselijke reukzin na te bootsen. Ten eerste gebruiken de tot nu toe ontwikkelde elektronische neuzen dezelfde reukreceptoren en geurmoleculen als de menselijke neus. Voorheen werden elektronische olfactorische receptoren gebruikt vanwege het behoud van de receptoren. De afgelopen jaren hebben onderzoekers echter actief gewerkt aan elektronische neuzen die gebruik maken van echte menselijke reukreceptorcellen om de menselijke reukzin te reproduceren. Menselijke reukreceptorcellen hebben echter een belangrijk nadeel: hun levensduur is slechts ongeveer 60 dagen. Daarom is het nodig om in korte tijd een groot aantal reukreceptorcellen te kunnen kweken, en dat is waar transgene technologie om de hoek komt kijken. Genetische recombinatietechnologie is een techniek waarbij de genen van de cellen die je wilt verkrijgen uit het DNA van de cellen worden geknipt en worden ingevoegd in het DNA van een cel die zich snel vermeerdert, zodat je snel grote hoeveelheden van de gewenste cellen kunt kweken. E. coli wordt vaak gebruikt in deze techniek om te profiteren van zijn enorme DNA-replicatiesnelheid. Elke 20 minuten deelt E. coli zich om zijn DNA-genen te verdubbelen, wat erg snel is, en na slechts 2 uur en 20 minuten is het DNA meer dan 1000 keer het origineel. Door genetische recombinatie in E. coli konden reukreceptoren snel en in grote hoeveelheden worden verkregen. Hierdoor kon de elektronische neus het kortlevende karakter van olfactorische receptoren overwinnen.

Net zoals geurreceptoren in het menselijk lichaam zich binden aan geurmoleculen en elektrische signalen naar de hersenen sturen via draden die zenuwcellen worden genoemd, heeft de elektronische neus materialen nodig die als draden kunnen fungeren. Koolstofnanobuizen, geleidende polymeernanobuizen en micro-elektrode-arrays (MEA's) zijn enkele van de materialen die dit kunnen, waarbij koolstofnanobuizen het meest actief worden bestudeerd. Koolstofnanobuizen zijn microscopisch kleine buisjes met een diameter van ongeveer 1 nm, gemaakt van een enkele laag koolstof die ze geleidend maakt. In de elektronische neus zijn de reukreceptoren verbonden met de koolstofnanobuisjes zodat de elektrische signalen die door de receptoren worden verzonden langs de koolstofnanobuisjes kunnen reizen naar de sensoren die de elektrische signalen analyseren.

Tot nu toe zijn slechts twee olfactorische receptoren met succes in massa geproduceerd: één die bananengeur en één die zure geur detecteert. Daarom wordt het analyseren van de complexe patronen van elektrische signalen van verschillende reukreceptoren nog niet goed begrepen. Als de technologie voor massaproductie van een grotere verscheidenheid aan olfactorische receptoren beschikbaar komt, denk ik dat dit onderzoek essentieel zal zijn. Op dit gebied is de introductie van kunstmatige intelligentie (AI)-technologie essentieel omdat het nodig is om verschillende soorten elektrische signalen te synthetiseren en als patronen te herkennen. Als we gegevens kunnen verzamelen dat bepaalde combinaties van elektrische signalen bepaalde geuren produceren, zullen elektronische neuzen de meeste geuren kunnen onderscheiden.

Op dit moment kunnen elektronische neuzen meer dan 10 keer beter ruiken dan de menselijke neus. Daarom kunnen elektronische neuzen een belangrijke bijdrage leveren aan bedrijven die gebruik maken van de geur van koffie, parfum, wijn, enz. Ze kunnen ook worden gebruikt om schadelijke stoffen of vergif te detecteren die mensen niet direct kunnen ruiken. Ze kunnen ook geuren opslaan als elektrische signalen, wat een sleutelrol zal spelen in de ontwikkeling van contextgevoelige tv's. Daarnaast wordt verwacht dat ze actief zullen worden gebruikt in de medische industrie, zoals het diagnosticeren van longkanker door de geur van iemands uitgeademde lucht te meten. Nu elektronische neuzen beginnen te ruiken, komt er een nieuw paradigma voor de reukzin.