Illicit drug detection system using genetically engineered Drosophila

Abstract

The fruit fly, Drosophila melanogaster, evolved a highly sensitive olfactory system to locate food or mating partners, as well as to avoid harmful chemicals. The genetic and neural bases of its olfactory system have been revealed thoroughly in the past. By manipulating olfactory receptors with a gene editing technique, one can engineer flies that are responding selectively to limited target odors. Thus, the Drosophila olfactory system offers great potential as a biosensor for the detection of volatile compounds of illicit substances in a wide range of applications. We developed OrX-forward detection flies by replacing Or42b olfactory receptors, which normally respond to vinegar and cause files to move forward, with olfactory receptors “OrX” that are sensitive to target volatile compounds. We found that Or7a-forward flies respond selectively to a target odor (benzaldehyde) with high sensitivity (up to one part per million). We also developed a hardware and software platform, by which the collective locomotion of OrX-forward flies in response to sampled odor is analyzed in real-time for the detection of illicit chemicals. The developed system provides a low-cost and user-friendly approach to the detection of illicit chemicals and maybe used in the future as an alternative to detection dogs in various applications.|최근 국내 불법 마약류의 유입이 크게 증가하였다. 공항에서 마약의 유입을 막기 위해 탐지견을 이용해 보안검색을 진행한다. 그러나, 탐지견의 경우 훈련에 많은 비용과 시간이 소요되며 그 가용시간이 한번에 30분 남짓으로 효율이 매우 떨어진다. 또한, 초파리의 경우 그 후각시스템이 매우 민감하고 특이적인 반응을 나타내며 각 후각수용체마다의 냄새 프로파일이 선행연구를 통해 규명되었다. 따라서 본 연구에서는 탐지견의 한계를 극복하기 위하여 뛰어난 후각과 많은 연구로 밝혀진 초파리의 후각시스템을 이용하여 탐지 초파리를 제작하였다. 탐지 초파리는 식초 냄새가 Or42b 수용체에 결합하면 직진 반응을 유발하는 초파리 신경회로를 활용하여 Or42b 수용체를 마약 냄새와 결합하는 OrX 수용체로 대체하여 마약 냄새에 대한 직진 반응을 기반으로 냄새의 유무를 판별한다. 필로폰으로 알려진 마약의 전구물질인 벤잘데하이드를 감지하는 Or7a 수용체를 Or42b 자리에 대체하여 벤잘데하이드 냄새에 직진 반응을 일으키는 Or7a-직진 탐지 초파리를 제작하였다. 또한, 실제 공항에서 사용가능한 시스템을 설계하기 위하여 3D 프린팅 기술을 이용하여 초파리를 담고 그 행동반응을 측정할 수 있는 카트리지와 실험 챔버를 제작하였다. 시스템 내에서 목적 냄새에 반응하여 냄새의 유입구 방향으로 이동하는 행동을 극대화하기 위한 온도, 가용시간, 굶주림 정도 등의 여러 변수들을 규명하였다. 더 나아가, 실제 현장에서의 사용가능성을 증명하기 위하여 한양대역에서 진행한 현장용 시스템을 개발하여 그 유의미한 반응을 측정하였다. 이를 바탕으로 저비용, 고민감도, 가용시간 또한 확보된 냄새 감지 시스템과 탐지 초파리를 제작하여 불법 화학물 탐지에 있어 탐지견을 대체할 가능성을 증명하였다.