Выходя из давнего тупика в нашем понимании обоняния, ученые из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (UCSF) создали первую на молекулярном уровне трехмерную картину того, как молекула запаха активирует рецептор запаха человека, что является важным шагом в расшифровке обоняния.
Выводы, опубликованные 15 марта 2023 года в журнале Nature , призваны возродить интерес к науке о запахах с последствиями для ароматов, пищевой науки и не только. Одорантные рецепторы — белки, которые связывают молекулы запаха на поверхности обонятельных клеток — составляют половину самого большого и разнообразного семейства рецепторов в нашем организме; Более глубокое их понимание прокладывает путь к новому пониманию целого ряда биологических процессов.
«Это была огромная цель в этой области в течение некоторого времени», — сказал Аашиш Манглик, доктор медицинских наук, доцент кафедры фармацевтической химии и старший автор исследования. Мечта, по его словам, состоит в том, чтобы нанести на карту взаимодействия тысяч ароматических молекул с сотнями обонятельных рецепторов, чтобы химик мог разработать молекулу и предсказать, как она будет пахнуть.
«Но мы не смогли составить эту карту, потому что без изображения мы не знаем, как молекулы запаха реагируют с соответствующими рецепторами запаха», — сказал Манглик.
Картина рисует запах сыра
Запах включает около 400 уникальных рецепторов. Каждый из сотен тысяч запахов, которые мы можем обнаружить, состоит из смеси различных молекул запаха. Каждый тип молекулы может быть обнаружен набором рецепторов, создавая для мозга головоломку, которую нужно решать каждый раз, когда нос улавливает запах чего-то нового.
«Это похоже на нажатие клавиш на фортепиано, чтобы получить аккорд», — сказал Хироаки Мацунами, доктор философии, профессор молекулярной генетики и микробиологии в Университете Дьюка и близкий сотрудник Манглика. Работа Мацунами за последние два десятилетия была сосредоточена на расшифровке обоняния. «Наблюдение за тем, как одорантный рецептор связывает одорант, объясняет, как это работает на фундаментальном уровне».
Чтобы создать эту картину, лаборатория Манглика использовала тип визуализации, называемый криоэлектронной микроскопией (крио-ЭМ), который позволяет исследователям видеть атомную структуру и изучать молекулярные формы белков. Но прежде чем команда Манглика смогла визуализировать рецептор запаха, связывающий молекулу запаха, им сначала нужно было очистить достаточное количество белка рецептора.
Известно, что рецепторы запахов сложно, а некоторые говорят, невозможно создать в лаборатории для таких целей.
Команды Манглика и Мацунами искали одорантный рецептор, которого было бы много как в теле, так и в носу, полагая, что его было бы легче создать искусственно, и который также мог бы обнаруживать растворимые в воде одоранты. Они остановились на рецепторе под названием OR51E2, который, как известно, реагирует на пропионат — молекулу, придающую резкий запах швейцарскому сыру.
Но даже OR51E2 оказалось трудно изготовить в лаборатории. Для типичных крио-ЭМ-экспериментов требуется миллиграмм белка для получения изображений на атомном уровне, но соавтор Кристиан Биллесбёлль, доктор философии, старший научный сотрудник лаборатории Манглика, разработал подходы, позволяющие использовать только 1/100 миллиграмма OR51E2, поставив снимок рецептора и одоранта в пределах досягаемости.
«Мы добились этого, преодолев несколько технических тупиков, которые долгое время душили поле», — сказал Биллесбёлль. «Это позволило нам уловить первый проблеск одоранта, соединяющегося с человеческим рецептором запаха в тот самый момент, когда запах был обнаружен».
Этот молекулярный снимок показал, что пропионат прочно прилипает к OR51E2 благодаря очень специфической подгонке между одорантом и рецептором. Находка перекликается с одной из обязанностей обонятельной системы как стража опасности.
Хотя пропионат придает богатый ореховый аромат швейцарскому сыру, сам по себе его запах гораздо менее аппетитен.
«Этот рецептор сфокусирован лазером на попытке почувствовать пропионат и, возможно, эволюционировал, чтобы помочь определить, когда пища испортилась», — сказал Манглик. Он предположил, что рецепторы приятных запахов, таких как ментол или тмин, могут более свободно взаимодействовать с одорантами.
Просто дуновение
Помимо одновременного использования большого количества рецепторов, еще одним интересным качеством обоняния является наша способность обнаруживать крошечные количества запахов, которые могут появляться и исчезать. Чтобы исследовать, как пропионат активирует этот рецептор, команда привлекла биолога-количественного биолога Нагараджана Вайдехи, доктора философии, из Города Надежды, который использовал методы, основанные на физике, для моделирования и создания фильмов о том, как OR51E2 включается пропионатом.
«Мы провели компьютерное моделирование, чтобы понять, как пропионат вызывает изменение формы рецептора на атомном уровне», — сказал Вайдехи. «Эти изменения формы играют решающую роль в том, как рецептор запаха инициирует процесс клеточной передачи сигналов, ведущий к нашему обонянию».
В настоящее время команда разрабатывает более эффективные методы для изучения других пар запах-рецептор, а также для понимания необонятельной биологии, связанной с рецепторами, которые участвуют в развитии рака предстательной железы и высвобождении серотонина в кишечнике.
Манглик предвидит будущее, в котором новые запахи могут быть созданы на основе понимания того, как форма химического вещества приводит к восприятию, мало чем отличающемуся от того, как сегодня химики-фармацевты разрабатывают лекарства на основе атомных форм белков, вызывающих болезни.
«Мы годами мечтали решить эту проблему, — сказал он. «Теперь у нас есть первая точка опоры, первое представление о том, как молекулы обоняния связываются с нашими обонятельными рецепторами. Для нас это только начало».