Przełamując długotrwały impas w naszym rozumieniu węchu, naukowcy z UC San Francisco (UCSF) stworzyli pierwszy trójwymiarowy obraz na poziomie molekularnym, pokazujący, w jaki sposób cząsteczka zapachu aktywuje ludzki receptor zapachowy, co jest kluczowym krokiem w rozszyfrowaniu zmysłu węchu.
Odkrycia, które pojawiły się 15 marca 2023 r. w Nature, mają ponownie rozbudzić zainteresowanie nauką o zapachach, co będzie miało implikacje dla zapachów, nauki o żywności i nie tylko. Receptory węchowe – białka wiążące cząsteczki zapachowe na powierzchni komórek węchowych – stanowią połowę największej i najbardziej zróżnicowanej rodziny receptorów w naszych ciałach; Głębsze ich zrozumienie toruje drogę do nowych spostrzeżeń na temat szeregu procesów biologicznych.
„Od pewnego czasu był to ogromny cel w tej dziedzinie” – powiedział dr Aashish Manglik, profesor nadzwyczajny chemii farmaceutycznej i starszy autor badania. Powiedział, że marzeniem jest mapowanie interakcji tysięcy cząsteczek zapachowych z setkami receptorów węchowych, aby chemik mógł zaprojektować cząsteczkę i przewidzieć, jak będzie pachnieć.
„Ale nie byliśmy w stanie zrobić tej mapy, ponieważ bez zdjęcia nie wiemy, jak cząsteczki zapachu reagują z odpowiadającymi im receptorami zapachu” – powiedział Manglik.
Obraz maluje zapach sera
Zapach obejmuje około 400 unikalnych receptorów. Każdy z setek tysięcy zapachów, które możemy wykryć, składa się z mieszaniny różnych cząsteczek zapachowych. Każdy typ cząsteczki może zostać wykryty przez szereg receptorów, tworząc zagadkę dla mózgu do rozwiązania za każdym razem, gdy nos złapie powiew czegoś nowego.
„To jak uderzanie w klawisze fortepianu w celu wytworzenia akordu” – powiedział dr Hiroaki Matsunami, profesor genetyki molekularnej i mikrobiologii na Duke University oraz bliski współpracownik Manglik. Praca Matsunami w ciągu ostatnich dwóch dekad koncentrowała się na dekodowaniu zmysłu węchu. „Obserwacja, w jaki sposób receptor zapachowy wiąże środek zapachowy, wyjaśnia, jak to działa na podstawowym poziomie”.
Aby stworzyć ten obraz, laboratorium Manglika wykorzystało rodzaj obrazowania zwany krio-mikroskopią elektronową (cryo-EM), który pozwala naukowcom zobaczyć strukturę atomową i zbadać molekularne kształty białek. Ale zanim zespół Manglika mógł zwizualizować receptor zapachowy wiążący cząsteczkę zapachową, najpierw musiał oczyścić wystarczającą ilość białka receptorowego.
Receptory węchowe są niezwykle trudne, niektórzy twierdzą, że niemożliwe do wykonania w laboratorium do takich celów.
Zespoły Manglik i Matsunami poszukiwały receptora węchowego, który występuje obficie zarówno w ciele, jak i w nosie, myśląc, że łatwiej byłoby go wytworzyć sztucznie, a także takiego, który byłby w stanie wykrywać rozpuszczalne w wodzie substancje zapachowe. Zdecydowali się na receptor o nazwie OR51E2, o którym wiadomo, że reaguje na propionian – cząsteczkę, która przyczynia się do ostrego zapachu szwajcarskiego sera.
Ale nawet OR51E2 okazał się trudny do wykonania w laboratorium. Typowe eksperymenty krio-EM wymagają miligrama białka do wytworzenia obrazów na poziomie atomowym, ale współautor, dr Christian Billesbøelle, starszy naukowiec z Manglik Lab, opracował podejście do wykorzystania tylko 1/100 miligrama OR51E2, kładąc migawka receptora i nawaniacza w zasięgu ręki.
„Dokonaliśmy tego, przezwyciężając kilka impasów technicznych, które przez długi czas blokowały pole” – powiedział Billesbøelle. „Dzięki temu mogliśmy uchwycić pierwszy przebłysk substancji zapachowej łączącej się z ludzkim receptorem zapachowym w momencie wykrycia zapachu”.
Ta migawka molekularna pokazała, że propionian ściśle przylega do OR51E2 dzięki bardzo specyficznemu dopasowaniu między substancją zapachową a receptorem. Znalezienie kpi z jednym z obowiązków układu węchowego jako strażnika niebezpieczeństwa.
Podczas gdy propionian przyczynia się do bogatego, orzechowego aromatu szwajcarskiego sera, sam jego zapach jest znacznie mniej apetyczny.
„Ten receptor jest skupiony laserowo na próbie wyczucia propionianu i mógł ewoluować, aby pomóc wykryć, kiedy jedzenie się zepsuło” – powiedział Manglik. Spekulował, że receptory przyjemnych zapachów, takie jak mentol lub kminek, mogą zamiast tego wchodzić w luźniejsze interakcje z substancjami zapachowymi.
Po prostu powiew
Wraz z wykorzystywaniem dużej liczby receptorów na raz, kolejną interesującą cechą zmysłu węchu jest nasza zdolność do wykrywania niewielkich ilości zapachów, które mogą pojawiać się i znikać. Aby zbadać, w jaki sposób propionian aktywuje ten receptor, we współpracy zatrudniono biologa ilościowego dr Nagarajana Vaidehi z City of Hope, który wykorzystał metody oparte na fizyce do symulacji i kręcenia filmów pokazujących, w jaki sposób OR51E2 jest włączany przez propionian.
„Przeprowadziliśmy symulacje komputerowe, aby zrozumieć, w jaki sposób propionian powoduje zmianę kształtu receptora na poziomie atomowym” – powiedział Vaidehi. „Te zmiany kształtu odgrywają kluczową rolę w sposobie, w jaki receptor zapachowy inicjuje proces sygnalizacji komórkowej prowadzący do naszego zmysłu węchu”.
Zespół opracowuje obecnie bardziej wydajne techniki badania innych par receptorów węchowych i zrozumienia pozawęchowej biologii związanej z receptorami, które są zaangażowane w raka prostaty i uwalnianie serotoniny w jelitach.
Manglik wyobraża sobie przyszłość, w której można projektować nowe zapachy w oparciu o zrozumienie, w jaki sposób kształt substancji chemicznej prowadzi do doznań percepcyjnych, podobnie jak obecnie chemicy farmaceutyczni projektują leki na podstawie kształtów atomowych białek powodujących choroby.
„Od lat marzyliśmy o rozwiązaniu tego problemu” – powiedział. „Mamy teraz pierwszy punkt zaczepienia, pierwszy rzut oka na to, jak cząsteczki zapachu wiążą się z naszymi receptorami węchowymi. Dla nas to dopiero początek”.
Finansowanie: Ta praca była wspierana przez granty NIH R01DC020353, K99DC018333 oraz program UCSF na rzecz przełomowych badań biomedycznych, częściowo finansowany przez Fundację Sandlera. Sprzęt Cryo-EM w UCSF jest częściowo wspierany przez granty NIH S10OD020054 i S10OD021741. Informacje o innych źródłach finansowania można znaleźć w artykule.