Как пахнет молекула: найден ключ к управлению обонянием

Исследователи швейцарской компании Givaudan, одного из крупнейших мировых производителей ароматизаторов, сообщили в журнале Current Biology, что им удалось заставить лабораторные клетки экспрессировать гены обонятельных рецепторов (ОР) — тех самых белков, которые реагируют на ароматические молекулы.

Это достижение может стать переломным моментом в науке о запахе и даже поставить под сомнение фундаментальные представления об обонянии, существовавшие с 1990-х годов.

Почему обонятельные рецепторы так сложно изучать

Чтобы понять масштаб открытия, нужно вспомнить, что обонятельные рецепторы — самые многочисленные гены в нашем организме: их около 400 у человека и до 1000 у животных. Каждый из них "настроен" на распознавание определённых химических структур — молекул запахов (одорантов).

Однако попытки изучать их вне человеческого организма десятилетиями терпели неудачу. Основная причина в том, что обонятельные рецепторы — это мембранные белки, встроенные в клеточную стенку нейронов носовой полости. Когда учёные пытались перенести их в лабораторные клетки (например, в клетки человеческой эмбриональной почки HEK), рецепторы просто не сворачивались правильно и не попадали в нужное место на поверхности клетки.

Без этого их невозможно было "включить" и проверить, как они реагируют на запахи.

Поэтому исследователям приходилось работать с живыми животными — чаще всего с грызунами, чьи обонятельные гены схожи с человеческими. Но такие эксперименты были трудоёмкими, затратными и требовали жертвовать животными ради каждого теста. В результате большинство обонятельных рецепторов оставались "сиротами" — их лиганды, то есть связывающиеся с ними молекулы запахов, оставались неизвестными.

Прорыв от Givaudan: "включённые" рецепторы в чашке Петри

Под руководством биохимика Андреаса Натша, команда из Givaudan разработала новый способ "оживить" обонятельные рецепторы в лабораторных условиях. Учёные модифицировали C-концевой домен — участок белка, который отвечает за его транспортировку к поверхности клетки.

Изменив этот домен, исследователи заставили рецепторы успешно сворачиваться и работать в клетках HEK. Затем они модифицировали все 400 известных человеческих обонятельных рецепторов, добившись их экспрессии — то есть активности — в лабораторных клетках.

Теперь учёные могли впервые напрямую наблюдать, какие молекулы активируют конкретные рецепторы, и измерять силу их реакции.

Что удалось обнаружить

Эксперименты показали, что некоторые ароматические молекулы взаимодействуют только с одним конкретным рецептором, а не с целой комбинацией, как предполагала классическая теория. Это важное отклонение от общепринятой модели комбинаторного кодирования, за разработку которой Линда Бак и Ричард Аксель получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 2004 году.

Комбинаторное кодирование: краткое напоминание

Согласно этой теории, запах любого вещества определяется уникальной комбинацией активированных рецепторов. Например, один рецептор реагирует на "цитрусовую" часть молекулы, другой — на "древесную", третий — на "мускусную". В совокупности они создают нейронный код, который мозг интерпретирует как определённый запах.

Но теперь оказалось, что некоторые ароматы могут включать один доминирующий рецептор, без сложных комбинаций.

Примеры из исследования

• Один из рецепторов оказался чувствителен к молекуле амбры — редкого вещества, образующегося в кишечнике кашалотов и веками используемого в парфюмерии.

• Другой рецептор реагировал на древесные ноты, характерные для пачули и синтетических ароматов, имитирующих его запах.

• Третий — на молекулы грейпфрута, причём сразу на два их структурных варианта.

Таким образом, один рецептор может быть ответственен за восприятие целого класса запахов, что делает обоняние гораздо более избирательным и эффективным, чем считалось ранее.

На стыке биологии и индустрии ароматов

Компания Givaudan, стоящая за этим исследованием, не случайно специализируется на запахах и вкусах — от парфюмов до пищевых эссенций. Новая технология открывает путь к цифровой картографии запахов: учёные смогут определять, какой рецептор отвечает за конкретный аромат, а значит, создавать синтетические аналоги с идеальной точностью.

Практические применения

• Парфюмерия: возможность проектировать новые запахи, точно "включающие" нужные рецепторы.

• Пищевая промышленность: создание ароматизаторов, максимально приближённых к натуральным.

• Медицина: диагностика нарушений обоняния, которые часто сопровождают нейродегенеративные болезни, такие как болезнь Альцгеймера.

• Нейронаука: изучение связи между запахами и эмоциями — ведь обонятельная система напрямую связана с лимбической системой мозга.

От античности до молекулярной нейробиологии

Восприятие запахов волновало человечество задолго до появления генетики.

• Аристотель считал обоняние "второстепенным чувством" по сравнению со зрением и слухом.

• Авиценна в X веке связывал запахи с "жизненными духами" и рекомендовал ароматерапию для лечения меланхолии.

• В XIX веке французский физиолог Жан-Батист Бюшон впервые предположил, что запахи передаются нервными окончаниями в носу.

• А в 1991 году Линда Бак и Ричард Аксель доказали, что восприятие запахов — это генетически закодированная система, за что получили Нобелевскую премию.

Открытие Givaudan продолжает эту линию — оно впервые переносит молекулярную теорию запаха из мозга в лабораторию, где её можно наблюдать и измерять.

Конец комбинаторной эпохи

Заявление Натша о возможной частичной несостоятельности комбинаторного кодирования вызвало бурную реакцию в научном сообществе.

Некоторые нейробиологи, как Джоэл Мейнленд из Центра химических чувств Монелла, отмечают, что модель Бак и Акселя была слишком общей и всегда нуждалась в уточнениях. Возможно, мозг действительно использует разные механизмы для разных типов запахов: одни кодируются сложными комбинациями, другие — отдельными рецепторами с высокой чувствительностью.

Таким образом, новая модель не отвергает прежнюю, а дополняет её, создавая более точную картину обоняния как гибридной системы.

Как это работает

1. Молекула запаха попадает в носовую полость.

2. Обонятельные рецепторы (ОР), встроенные в мембрану нейронов, связываются с ней.

3. Это вызывает электрический сигнал, который передаётся в обонятельную луковицу мозга.

4. Мозг интерпретирует комбинацию активных рецепторов как определённый запах.

5. В лаборатории исследователи воспроизводят этот процесс, заставляя клетки HEK экспрессировать ОР и фиксируя их реакцию на молекулы.

FAQ: ответы на ключевые вопросы

Почему обонятельные рецепторы так важны?
Они составляют основу нашего обоняния — чувства, тесно связанного с эмоциями, памятью и поведением. Потеря обоняния, например после COVID-19, часто вызывает тревогу и депрессию.

Почему раньше было так трудно их изучать?
ОР — мембранные белки, плохо работающие вне своей природной среды. Теперь их удалось "запустить" в лабораторных клетках.

Означает ли это, что теория комбинаторного кодирования устарела?
Не совсем. Новые данные указывают, что некоторые запахи могут кодироваться отдельными рецепторами, но большинство всё же требуют сложной комбинации.

Можно ли теперь "создать запах" по заказу?
Теоретически — да. Понимая, какой рецептор отвечает за конкретный аромат, можно синтезировать вещество, которое активирует именно его.

Что это значит для науки и промышленности?
От парфюмерии до медицины — открытие открывает путь к "нейроинженерии запаха", когда ароматы можно будет создавать и классифицировать с молекулярной точностью.