Ученые-парфюмеры научили лабораторные клетки чувствовать запахи
Морской дух амбры. Цитрусовая свежесть грейпфрута. Спелый аромат «пробкового» вина. Человеческий нос способен распознать практически бесконечную палитру запахов, некоторые — в исчезающе малых концентрациях. И что удивительно, для этого ему достаточно менее 400 рецепторных белков. Исследователи из Швейцарии, работающие в парфюмерной индустрии, нашли новый способ изучения этих белков в лаборатории — и, по их словам, полученные результаты ставят под сомнение фундаментальную теорию о том, как работает обоняние.
Десятилетиями ученые безуспешно пытались заставить лабораторные клетки экспрессировать гены, кодирующие обонятельные рецепторы (ОР) — белки, в находящиеся основном в нейронах наших ноздрей. Наконец, это удалось — в результате создана система для идентификации in vitro конкретных обонятельных рецепторов.
Как работает обоняние
Это достижение значительно облегчит изучение ОР. Но что интереснее, оно ставит под сомнение комбинаторное кодирование — теорию обоняния, за которую Линда Бак и Ричард Аксель получили Нобелевскую премию в 2004 году. Комбинаторное кодирование предполагает, что множественные ОР работают совместно, улавливая разные части молекулы одоранта (пахучего вещества) и выдавая паттерны или коды, которые распознаются мозгом.
По мнению нейробиолога Джоэла Мэйнленда из Химико-сенсорного центра Монелла, эта модель «довольно расплывчата в деталях». А проверить ее не представлялось возможным — вырастить обонятельные нейроны не получалось, а расходовать лабораторных крыс ради каждого нового запаха долго, сложно и не очень этично. Поэтому остается множество рецепторов-«сирот» с неизвестными лигандами — связывающимися молекулами.
В 1991 году Бак и Аксель клонировали гены, кодирующие ОР, что вселило надежды на возможность изучения обоняния в лабораторных клеточных линиях. Но исследователям пришлось изрядно потрудиться, чтобы заставить клетки эмбриональной почки человека (HEK), «рабочие лошадки» таких экспериментов, экспрессировать эти гены.
Новый подход
Швейцарские исследователи применили новый подход к проблеме. В прошлом году они показали, что изменения в конце цепочки аминокислот ОР, так называемом С-концевом домене, могут усилить экспрессию этого рецептора в клетках HEK. Их новая работа в журнале Current Biology развивает эту концепцию. Модифицировав все известные человеческие ОР с помощью инженерного С-концевого домена, авторы смогли резко усилить экспрессию для многих из них. Проверили, как ОР реагируют на сотни запахов — в основном натуральных, восприятие которых более-менее неплохо изучено. В исследовании подробно описаны результаты для 20 рецепторов.
Выяснилось, что некоторые одоранты избирательно активируют единственный ОР — это означает, что для восприятия данного запаха нужно меньше рецепторов или даже всего один. Например, один из считавшихся «сиротой» ОР распознает ключевую молекулу в амбре, культовом парфюмерном ингредиенте, добываемом из кишечника кашалотов. Другой активируется тем, что парфюмеры называют древесными запахами, а третий — как пачулолом, основным ароматизатором пачули, так и синтетическим пачули. Две структурно различные молекулы грейпфрута, как оказалось, связываются с одним и тем же рецептором.
Раньше «у нас был очень шумный сигнал, а теперь мы видим, что он гораздо более специфичен», объясняет биохимик Андреас Натч из компании Givaudan. По его словам, результаты не отрицают, что в восприятии аромата одной молекулы могут участвовать несколько рецепторов, но указывают на то, что один ОР может отвечать за «определенное направление запаха».
Модификация С-концевого домена, на которую швейцарская команда подает патент, — это потенциальный прорыв, с которым захотят поработать академические лаборатории, подчеркивает Мэйнленд: «Если это удастся воспроизвести — то это довольно большой скачок в способности этих методов находить лиганды для рецепторов».
Нобелевская теория пока устояла
Открытие будет полезным для парфюмерной отрасли. Пока создание ароматов связано с подбором ингредиентов, каждый из которых может быть дорогим или труднодоступным, а его поиск — небезопасным. Однако выводы нуждаются в подтверждении. Во-первых, модификация С-конца сработала не для каждого протестированного рецептора. А для некоторых важных парфюмерных запахов, таких как эвкалипт и сандал, поиск соответствующих лигандов не увенчался успехом.
Кроме того, указывает Мэйнленд, команда не объяснила, как измерялось человеческое восприятие каждого запаха: «Если вы утверждаете, что это рецептор фруктового запаха, заблокируйте его и посмотрите, исчезнет ли фруктовость».
Нобелевская модель пока остается в безопасности, добавил он: швейцарская команда, «по сути, спорит о пропорциях». «Активируем мы в основном небольшое количество рецепторов или же широкий их набор? Но, возможно, настройка все же более узкая, чем мы думали», — заключил нейробиолог.
