W niezwykle fascynującym świetle nowego doniesienia naukowego badacze zdołali zrewolucjonizować zrozumienie węchu, tworząc trójwymiarowy receptor węchowy. Odkrycie, które ogłoszono stosunkowo niedawno, daje nadzieję na otwarcie nowych horyzontów naukowych w dziedzinie percepcji sensorycznej i wywołuje lawinę pytań dotyczących naszej zdolności postrzegania i identyfikowania zapachów.
Spis treści
Receptor węchu to szalenie istotna cząsteczka naszego węchu, zlokalizowana w jamie nosowej zajmuje u dorosłego człowieka od 1 do 3 cm2 błony śluzowej — podaje Renata Marciniak-Firadza. Okazuje się, że zmysł węchu ma zaskakujący wpływ na rozwój postrzegania, mowy i koncentracji uwagi. Naukowcy, którzy realizują badania z zakresu neurofizjologii układu nerwowego, stwierdzili, że obszar mózgu, który odpowiedzialny jest za te kluczowe funkcje poznawcze, ma swoje korzenie w rejonie kory węchowej.
Receptor węchowy 3D: nowa era w badaniach nad zmysłem węchu
Jako dzieci poznajemy świat poprzez fundamentalne zmysły, w skład których zalicza się m.in. zmysły dotyku, smaku i węchu. Dzisiaj skupimy się na tym ostatnim, ponieważ był on przedmiotem najświeższych badań naukowców z UC San Francisco (UCSF), które opublikowano na łamach prestiżowego magazynu Nature. Momentalnie rozbudziły zainteresowanie nauką o zapachach. Będą one miały implikacje również dla technologów żywieniowych i nie tylko. Naukowcy podjęli się zmierzenia się z jednym z najbardziej enigmatycznych i nieodkrytych jeszcze w pełni aspektów naszego zmysłu węchu, a konkretniej struktury receptorów węchowych. Dzięki wytężonej pracy stworzono trójwymiarowy obraz na poziomie molekularnym, pokazujący, w jaki sposób cząsteczka zapachu aktywuje ludzki receptor węchowy. To kluczowe odkrycie w kontekście rozszyfrowania zmysłu węchu.
Od dłuższego czasu jest to ogromny cel w tej dziedzinie. Marzeniem jest mapowanie interakcji tysięcy cząsteczek zapachowych, aby chemik mógł tę cząsteczkę zaprojektować i przewidzieć, jak będzie pachnieć. Nie byliśmy w stanie zrobić jednak mapy, ponieważ bez zdjęcia nie wiemy, jak cząsteczki zapachu reagują z odpowiadającymi im receptorami zapachu.
powiedział dr Aashish Manglik, profesor nadzwyczajny chemii farmaceutycznej i starszy autor badania w artykule.
W naszym niezwykle złożonym świecie zapachów każdy oddech niesie ze sobą niepowtarzalną mozaikę zapachową. Zdumiewające jest to, że w naszej jamie nosowej mieści się okołu 400 unikalnych receptorów węchowych, które są w stanie rozpoznać oraz zinterpretować setki tysięcy różnych zapachów.
Węchowe zagadki
Zapach, który dociera do naszego nozdrza to skomplikowana zagadka, układanka złożona z niezliczonej liczby puzzli — cząsteczek zapachowych. Każda z tych cząsteczek ma swoje specyficzne właściwości chemiczne, co oznacza, że może być wykryta przez różne kombinacje receptorów w naszym nosie. Nasz mózg poddawany jest nieustannym wyzwaniom, choć nawet nie zdajemy sobie z tego sprawy, musi rozgryźć zagadkę zapachową. W cytowanym przez nas artykule dr Hiroaki Matsunami, profesor genetyki molekularnej i mikrobiologii na Duke University, który blisko współpracuje z Manglik’iem porównuje procesy zachodzące w naszym nosie do uderzania w klawisze fortepianu. Uderzając w klawisz, wytwarzamy dźwięk. Matsunami od dwóch dekad koncentruje swoje badania na dekodowaniu zmysłu węchu.
Do badań prof. Manglik użył propionianu, czyli cząsteczki, która przyczynia się do specyficznego zapachu sera szwajcarskiego. Wiadomo, że receptor węchowy o nazwie OR51E2 reaguje na tę cząsteczkę.
Ten receptor jest skupiony laserowo na próbie wyczucia propionianu i mógł ewoluować, aby pomóc wykryć, kiedy jedzenie się zepsuło.
Tłumaczy prof. Manglik.
Aby stworzyć trójwymiarowy obraz, zespół z laboratorium Manglika skorzystał z zaawansowanej metody obrazowania, znanej jako krio-mikroskopia elektronowa (cryo-EM), która umożliwia naukowcom badanie struktury atomowej i molekularnych kształtów białek. Jednak przed tym, jak badacze mogli zwizualizować receptor węchowy, wiążący cząsteczkę zapachową, musieli najpierw przeprowadzić proces dokładnego oczyszczania odpowiedniej ilości białka receptorowego.
Proces oczyszczania wymagał precyzji i staranności, aby usunąć wszelkie zanieczyszczenia, które mogłyby negatywnie wpłynąć na wyniki badania. Naukowcy musieli zapewnić odpowiednie warunki i środowisko, aby białko receptorowe zachowało swoją prawidłową strukturę i funkcjonalność. Uzyskując czysty materiał, mogli przejść do kolejnej fazy, czyli obrazowania przy użyciu metody krio-mikroskopii elektronowej. Pozwoliło im to zobaczyć, jak cząsteczki zapachowe są wiązane i rozpoznawane przez te receptory na najbardziej precyzyjnym poziomie molekularnym, przyczyniając się do głębszego zrozumienia funkcjonowania zmysłu węchu. Do tej pory sztuczne stworzenie takich receptorów było wyzwaniem, a niektórzy nawet twierdzą, że niemożliwym do wykonania!
Receptor węchowy, który wyłapuje zapach sera szwajcarskiego
Wspólne wysiłki obu zespołów — Manglika i Matsunamiego — opłaciły się. Decydując się na wspomniany receptor węchowy OR51E2 (ten od sera szwajcarskiego!), nie wiedzieli, że będzie on trudny do stworzenia w warunkach laboratoryjnych. Dr. Christiana Billesbøle miał jednak pomysł na ten receptor węchowy. Opracował podejście do wykorzystania jednej setnej miligrama OR51E2, umieszczając migawkę receptora i nawaniacz w zasięgu ręki. Dzięki temu zabiegowi, naukowcy byli w stanie uchwycić pierwszy przebłysk substancji zapachowej, która łączyła się z ludzkim receptorem zapachowym w momencie wykrycia zapachu.
Jak podaje artykuł, aby zbadać, w jaki sposób propionian aktywuje receptor węchowy, podjęto współpracę z biologiem, dr Nagarajana Vaidehi z City of Hope, który wykorzystał metody oparte na fizyce do symulacji i kręcenia filmów. Dzięki temu naukowcy wiedzą, jak OR51E2 jest włączany przez propionian.
Przeprowadziliśmy symulacje komputerowe, aby zrozumieć, w jaki sposób propionian powoduje zmianę kształtu receptora na poziomie atomowym. Te zmiany kształtu odgrywają kluczową rolę w sposobie, w jaki receptor węchowy inicjuje proces sygnalizacji komórkowej, prowadzący do naszego zmysłu węchu.
Wyjaśnia dr Nagarajana Vaidehi w wywiadzie dla UCSF.
Przyszłość badań w świetle nowych odkryć
Na nosie się nie skończy! Zespoły działają w tym momencie nad opracowaniem wydajniejszych technik badania, z użyciem innych par receptorów węchowych. Chcą też zrozumieć procesy łączące poza węchową biologię i receptory, a które zaangażowane są w raka prostaty i uwalnianie serotoniny w jelitach.
Niesamowite, jaką moc mają konkretne zapachy do przenoszenia nas w zupełnie inny świat, do starych wspomnień, które zakopane są gdzieś w odmętach naszego umysłu. Czasem wystarczy tylko jedno pociągnięciem nosem (o ile ten nie jest zatkany:)).
Manglik wizjonersko patrzy w przyszłość, w której możliwe jest projektowanie zupełnie nowych zapachów, oparte na głębszym zrozumieniu tego, jaki kształt substancji chemicznej wpływa na nasze percepcyjne doznania zapachowe. Ta koncepcja przypomina obecne praktyki w dziedzinie chemii farmaceutycznej, gdzie leki projektowane są na podstawie dokładnego poznania struktury atomowej białek, odpowiedzialnych za powstawanie chorób.