Наше обоняние кажется самым сложным и поэтому наименее понятным. Чтобы пролить свет на систему, исследователи из Университета Рокфеллера сделали первые снимки с помощью криоэлектронного микроскопа обонятельного рецептора, работающего в простой системе насекомого.
Рецепторы - это ключевые структуры, которые помогают нам понимать окружающий мир с помощью пяти органов чувств. В коже есть сенсорные рецепторы, фоторецепторы в сетчатке, вкусовые рецепторы на языке, звуковые рецепторы во внутреннем ухе и обонятельные рецепторы в носу. Все они реагируют на различные стимулы, открывая ионные каналы для передачи сигналов в мозг для интерпретации того, что мы испытываем.
Но обонятельные рецепторы - самые загадочные из всех. В то время как нам нужны только три типа в глазах, чтобы видеть, и шесть - в ухе, чтобы слышать, для обоняния требуется более 400 рецепторов - и даже они выполняют двойную функцию, обнаруживая миллионы различных молекул пахучих веществ. Специфический запах, такой как кофе или розы, состоит из сотен химических компонентов, которые стимулируют различные рецепторы, и этот точный паттерн активации помогает мозгу расшифровать, чем именно он пахнет.
Иллюстрация обонятельного рецептора в невозбужденном состоянии (синий) и когда он активирован (розовый) молекулой запаха. При активации ионный канал в центре расширяется, посылая в мозг сообщение о том, что рецептор активирован. Фото: The Rockefeller University
«Обонятельная система должна распознавать огромное количество молекул, имея всего несколько сотен рецепторов запаха или даже меньше», - говорит Ванесса Рута, автор исследования. «Ясно, что это должно было развиться в логику, отличную от других сенсорных систем».
Итак, для нового исследования команда решила изучить эту сложную логику. Главный вопрос, на который исследователи хотели ответить, заключался в том, как один рецептор может распознавать разные химические вещества, несмотря на то, что эти молекулы имеют разные размеры и формы.
Чтобы выяснить это, они использовали метод, называемый криоэлектронной микроскопией, который включает стрельбу пучком электронов в замороженный образец для получения 3D изображения его крошечных молекулярных структур. Это было выполнено на обонятельных рецепторах бескрылого насекомого Machilis hrabei из отряда Древнечелюстные, которое имеет относительно простую систему восприятия запаха, содержащую всего пять типов рецепторов.
Примитивные обонятельные рецепторы насекомых из отряда Древнечелюстные считаются одними из наиболее эволюционно древних версий обонятельных рецепторов у насекомых. Фото: Katja Schulz, CC BY 2.0
Из них команда выбрала один под названием OR5, который реагировал на 60 процентов молекул запаха, на которых они его тестировали. Затем они изучили структуру рецептора OR5, когда он был сам по себе, и когда он был связан с одной из двух молекул одоранта - эвгенолом (или гвоздичным маслом) и репеллентом насекомых - ДЭТА (Диэтилтолуамид).
«Мы многому научились, сравнивая эти три структуры», - говорит Рута. «Одна из прекрасных вещей, которые вы можете увидеть, заключается в том, что в несвязанной структуре пора закрыта, но в структуре, где она связана либо с эвгенолом, либо с ДЭТА, пора расширилась и обеспечивает путь для движения ионов».
Затем исследователи изучили, где именно молекулы связывались с рецептором. Несмотря на то, что эти две молекулы очень разные, оказалось, что они связываются в одном и том же месте, в одном кармане рецептора. Это фактически противоречит двум основным гипотезам: рецепторы связываются с определенной частью молекулы, которая может быть общей для большой группы запахов, или что рецепторы используют разные карманы для хранения разных молекул. Что еще более странно, рецепторы и пары молекул связывались слабо.
«Эти виды неспецифических химических взаимодействий позволяют распознавать различные пахучие вещества», - говорит Рута. «Таким образом, рецептор не является селективным по отношению к определенному химическому элементу. Скорее, это распознавание более общей химической природы одоранта».
Команда говорит, что это наблюдение помогает объяснить, как рецепторы могут связываться с большими группами молекул запаха, но не со всеми. Это помогает меньшее количество рецепторов встраивать в обонятельную систему, которая может распознавать миллионы различных химических веществ.
Они также обнаружили, что достаточно одной мутации в аминокислотах места связывания, чтобы изменить молекулы, которые будут прилипать. Это, в свою очередь, может объяснить, как у насекомых появилось так много разновидностей рецепторов запаха. Команда заключает, что общий принцип, лежащий в основе этого, вероятно, также встречается у других животных, включая людей.
Исследование было опубликовано в журнале Nature.
Источник: New Atlas / Rockefeller University
