嗅覺受體中有一個離子通道（藍色），遇到其目標氣味時才會開啟（粉色）。圖片來源：Laboratory of Neurophysiology and Behavior at The Rockefeller University
所有的感官都必須應對這個世界豐富的資訊，但沒有什麼能與嗅覺系統所面臨的挑戰相比。我們的眼睛只需要三種受體就能感覺到彩虹的所有顏色，這是因為不同的色調是以光波的形式出現的，而光波只在頻率這一個維度上變化。然而，這個活力四射，五彩繽紛的顏色世界與複雜的化學世界相比就顯得微不足道了。氣味有數以百萬計不同種類，每種氣味都由數百個分子組成，在形狀、大小和屬性上都有很大的不同。比如，咖啡的味道由200多種化學成分組成，其中每一種成分都有不同的結構，而且實際上沒有一種成分單獨聞起來就有咖啡的味道。
美國洛克菲勒大學（Rockefeller University）的神經科學家Vanessa Ruta說：“嗅覺系統必須用僅有的幾百個甚至更少的嗅覺受體來識別大量的分子。很明顯，它不得不演化出一種與其他感官系統不同的機制。”
在一項新的研究中，Ruta和她的同事透過首次揭示了嗅覺受體工作時的分子檢視，為幾十年來的氣味識別問題提供了答案。
這項發表在《自然》（Nature）雜誌上的研究結果顯示，嗅覺受體確實遵循一種在神經系統的其他受體中很少見的邏輯。雖然大多數受體的形狀是精確的，只與少數特定的分子以類似鑰匙和鎖的方式配對，但大多數嗅覺受體都可以與大量不同分子結合。它們能與多種氣味配對的通用性，使每個受體都能夠對許多化學成分作出反應。因此，大腦可以透過受體組合的啟用模式來弄清氣味的情況。
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嗅覺受體是在30年前發現的，但科學家們一直未能真正仔細觀察嗅覺受體，並破譯其結構和機制。部分原因是這些受體並不適合常用的分子成像方法。更為複雜的是，這些嗅覺受體的偏好似乎沒有任何規律或理由，一個單獨的嗅覺受體可以對結構和化學上都不同的化合物作出反應。Ruta實驗室的博士後Josefina del Mármol說：“為了對氣味識別機制形成基礎的理解，我們需要知道單一受體如何識別多種不同的化學物質。這個問題是嗅覺系統工作方式的一個關鍵特徵，但這其中一直是謎團重重。”
因此，Ruta、del Mármol以及實驗室的研究助理Mackenzie Yedlin利用最新的低溫電子顯微鏡，著手分析單個嗅覺受體的結構。這項技術透過向冷凍標本發射電子來表現極小的三維分子結構，其範圍可縮小至單個原子。
該小組研究了一種名叫石蛃（Machilis hrabei）的地棲昆蟲，其基因組最近經過測序，被發現只有五種嗅覺受體。儘管這種昆蟲的嗅覺系統很簡單，但它的受體屬於一個龐大的受體家族，在數十萬種不同的昆蟲物種中發現了約數千萬個變體。這些受體極具多樣性，但是它們的功能是相同的。嗅覺受體形成一個離子通道（即允許帶電粒子流動的孔洞），只有當受體遇到其目標氣味時才會開啟通道，最終啟用啟動嗅覺的感覺細胞。
研究人員選擇了OR5，一種來自這種昆蟲的受體，具有廣泛的識別能力，對研究人員測試的60%的小分子都有反應。
隨後，他們分別檢查了OR5單個受體的結構，以及與丁香酚（一種常見的氣味分子）或與DEET（驅蟲劑，一種胺類分子）相結合的結構。Ruta說：“透過比較這三種結構，我們學到了很多東西。很有趣的是，在未與丁香酚或DEET結合的結構中，受體孔洞是封閉的；但在受體與丁香酚或DEET結合的結構中，可以觀察到孔洞的擴張，這為離子流動提供了一個通道。”
透過這些結構，研究小組仔細研究了這兩種化學性質不同的分子到底在哪裡以及如何與受體結合。關於嗅覺受體與分子的相互作用，一直有兩種觀點。一種觀點認為，為了區分大量的分子，受體已經進化到可以對分子的一部分決定性的特徵（如其形狀的一部分）做出反應。其他研究人員則提出，每個受體的表面同時有多個“口袋”，使其能夠容納多個不同的分子。
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然而，Ruta表示：“這並不是我們看到的情況。”結果表明，DEET和丁香酚都在相同的位置結合，並且與受體中的一個小“口袋”完全匹配。令人驚訝的是，與“口袋”相連的氨基酸並沒有與氣味劑形成強烈的、有選擇性的化學鍵，而只是形成弱鍵。在大多數其他系統中，受體和它們的目標分子是良好的化學匹配，而在這裡它們似乎更像是友好的熟人。Ruta說：“這些非特異性的化學作用使不同的氣味被識別。透過這種方式，受體對一個特定的化學特徵沒有選擇性。相反，受體可以更廣泛地識別氣體的化學性質。”
正如計算模型所顯示的，同一個“口袋”可以以同樣的方式容納許多其他氣味分子。
但Ruta說，受體的廣泛性並不意味著沒有特異性。儘管每個受體都對需多種分子有反應，但它對其他分子並不敏感。此外，位於結合點的氨基酸的簡單突變便可以明顯地重新配置受體，改變它更偏好結合的分子。這項發現也有助於解釋昆蟲是如何進化出數百萬種氣味受體，以適應多樣的生活方式和棲息地。
Ruta說，這些發現可能解釋了許多其他嗅覺受體的機制。“研究指出了氣味識別的關鍵原理，不僅是昆蟲，我們自己鼻子內的受體也必須檢測並辨別豐富的化學世界。”
翻譯：管榕
編輯：戚譯引
引進來源：Rockefeller University
本文來自：環球科學
