Ученые-парфюмеры научили клетки чувствовать запахи

Морской аромат амбры. Цитрусовый привкус грейпфрута. Спелый аромат «пробкового» вина. Человеческий нос способен улавливать практически бесконечную палитру запахов, некоторые из которых имеют исчезающе низкую концентрацию. Но, как ни странно, наш организм использует для их интерпретации всего около 400 рецепторных белков. Швейцарские исследователи ароматов разработали новый метод изучения белков в лабораторных условиях, и их результаты, по их словам, бросают вызов основополагающей теории о механизме работы обоняния.

Десятилетиями учёные пытались заставить клетки, обычно используемые в лабораторных условиях, экспрессировать гены, кодирующие обонятельные рецепторы (ОР) – белки, в основном находящиеся в нейронах носовых полостей. Используя процесс, описанный ими в журнале Current Biology, исследователи швейцарской компании Givaudan, производящей ароматизаторы и вкусовые добавки, утверждают, что им удалось модифицировать подходящие для лабораторных условий клетки, чтобы они могли легко экспрессировать ОР. Результатом стала система in vitro для идентификации специфических ОР, в том числе тех, которые сильно реагируют на молекулы амбры, грейпфрута и пробкового вина.

По словам других исследователей обоняния, открытие швейцарской группы значительно упростит изучение обонятельных рецепторов. Но, что ещё более спорно, группа также утверждает, что наблюдала закономерности активности рецепторов, которые ставят под сомнение комбинаторное кодирование — давнюю гипотезу обоняния, которая помогла Линде Бак и Ричарду Акселю получить Нобелевскую премию в 2004 году.

Комбинаторное кодирование предполагает, что несколько обонятельных рецепторов действуют согласованно, распознавая различные части молекулы пахучего вещества, создавая паттерны или коды, распознаваемые мозгом. Кроме того, по словам нейробиолога Джоэла Мейнленда из Центра химических чувств Монелла, модель «довольно расплывчата в деталях».

Это было сложно проверить, поскольку обонятельные нейроны невозможно культивировать в лабораторных условиях. Чтобы определить, какой обонятельный рецептор распознаёт тот или иной одорант, требовались обширные исследования на грызунах, и «приходиться жертвовать животным каждый раз, когда хочешь провести эксперимент», — говорит Клэр де Марч, химик из CNRS, французского национального исследовательского агентства. В результате исследователи столкнулись с множеством так называемых орфанных рецепторов, лиганды или связывающие молекулы которых неизвестны.

Бак и Аксель клонировали гены, кодирующие ОР, что стало достижением, опубликованным в 1991 году, вселяя надежды на возможность изучения ОР в лабораторных клеточных линиях. Однако исследователям пришлось изрядно потрудиться, чтобы заставить клетки эмбриональной почки человека (HEK), рабочую лошадку для подобных экспериментов, экспрессировать эти гены.

Швейцарские исследователи под руководством Андреаса Натша (Andreas Natsch) применили новый подход к проблеме. В прошлом году Натш и его коллега Роджер Эмтер показали, что, внося изменения в конец цепочки аминокислот ОР (так называемый C-концевой домен), они могут усилить экспрессию этого рецептора в клетках HEK. Их новая работа расширяет эту концепцию. Модифицировав все примерно 400 известных человеческих ОР с помощью сконструированного C-концевого домена, они смогли усилить экспрессию многих из них. Группа наблюдала за реакцией ОР на сотни преимущественно природных одорантов, человеческое восприятие которых (то есть то, как они пахнут для нас) было ранее охарактеризовано. В новом исследовании подробно описаны результаты для 20 рецепторов.

Команда Натча обнаружила, что некоторые одоранты преимущественно активируют один обонятельный рецептор (ОР), а это значит, что для восприятия данного одоранта может потребоваться меньше обонятельных рецепторов, а возможно, и всего один. Например, один из ранее «сиротских» ОР распознаёт 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», – говорит Натч, – «а теперь мы видим, что он гораздо более специфичен».

Натч утверждает, что его группа не отрицает, что в восприятии запаха одной молекулы не могут участвовать несколько рецепторов. Напротив, их результаты указывают на то, что один ОР может отвечать за «определённое направление запаха».

Мейнленд утверждает, что усовершенствование C-концевой части молекулы, которое швейцарская команда стремится запатентовать, — это потенциальный прорыв, с которым захотят поработать академические лаборатории. «Если это удастся воспроизвести, это будет значительный скачок в способности этих методов находить лиганды для рецепторов», — говорит он. Это достижение может также принести пользу парфюмерной отрасли. Производители хотят знать, какие молекулы необходимы для получения аромата, поскольку тот или иной ингредиент может в любой момент оказаться небезопасным, дорогим или труднодоступным. 

Однако и Мэйнленд, и де Марч утверждают, что результаты ещё требуют подтверждения. Во-первых, изменение C-конца не сработало для всех протестированных рецепторов. А для некоторых важных парфюмерных ароматов, таких как эвкалипт и сандал, поиск соответствующих лигандов не увенчался успехом. Мэйнленд отмечает, что Натч и его коллеги не объяснили, как измерялось человеческое восприятие каждого запаха. «Если вы собираетесь утверждать, что это фруктовый рецептор, заблокируйте его и посмотрите, исчезнет ли фруктовый аромат», — говорит он.

Оба исследователя также согласны с тем, что комбинаторная модель кода пока выглядит безопасной. Швейцарская группа «по сути, спорит о пропорциях», говорит Мейнленд. «Активируется ли в основном небольшое количество рецепторов или широкий спектр? Но, возможно, всё настроено более узко, чем мы думали».