嗅覺可以說是最被人們低估的感官。它其實可以看作一種化學(xué)檢測系統(tǒng)，我們通過嗅覺受體（OR）細(xì)胞來感知不同氣味。不得不承認(rèn)，我們的嗅覺似乎比不上其他很多生物。比如我們都知道，狗的嗅覺靈敏程度遠(yuǎn)高于人類。OR細(xì)胞的遺傳密碼被稱為OR基因。與其他哺乳動物相比，我們的OR基因相當(dāng)少。研究發(fā)現(xiàn)，我們只有約400個OR基因。在進(jìn)化過程中，當(dāng)我們的祖先開始直立行走，主要依賴視覺而非嗅覺來感知危險時，靈長類動物的OR基因就減少了。但神奇的是，我們的嗅覺在很多方面也比我們以為的要強大得多。根據(jù)2014年一項研究估計，人們甚至可能有能力區(qū)分超過一萬億種氣味。我們能檢測到的每一種氣味，都是由不同的氣味分子混合而成的。嗅覺受體的蛋白質(zhì)在細(xì)胞表面與氣味分子結(jié)合，它們占據(jù)了我們身體中最大、最多樣化的受體家族的半數(shù)。每種類型的氣味分子都可能被一系列的受體檢測到，這就好比在鋼琴上敲擊琴鍵彈出一個和弦。在每次鼻子聞到新東西的時候，都會給大腦帶來一個謎題。一個最明顯的例子就是“草莓問題”。我們都知道有一種“草莓的氣味”，它實際上是由20多種化學(xué)物質(zhì)混合而成的。但當(dāng)你聞到這種組合時，你的大腦并沒有在說“你聞到了這樣的、那樣的化學(xué)物質(zhì)”，它只會說，這是“草莓味”。這也正是嗅覺的奇妙之處。一直以來，研究嗅覺的科學(xué)家的夢想是繪制出數(shù)千種氣味分子與數(shù)百種嗅覺受體的相互作用的圖譜，讓化學(xué)家能夠設(shè)計并預(yù)測分子的氣味。但是制作出這種圖譜很困難，它需要我們了解氣味分子和人類嗅覺受體是如何相互作用的。近日，美國加州大學(xué)舊金山分校的科學(xué)家打破了我們對嗅覺理解的長期僵局，創(chuàng)造了第一幅分子水平的三維圖片，展示了氣味分子如何激活人類嗅覺受體，邁出了破譯嗅覺的關(guān)鍵一步。研究結(jié)果已于近日發(fā)表在《自然》上。為了創(chuàng)造這幅畫面，研究團(tuán)隊使用了一種叫作冷凍電子顯微術(shù)（cryo-EM）的成像技術(shù)，它可以讓研究人員看到原子結(jié)構(gòu)，并研究蛋白質(zhì)的分子形狀。但是，在團(tuán)隊能夠?qū)⒔Y(jié)合氣味的嗅覺受體可視化之前，他們首先需要提純足夠量的受體蛋白。嗅覺受體蛋白的制備是出了名地具有挑戰(zhàn)性，有人甚至認(rèn)為這是不可能的任務(wù)。團(tuán)隊希望尋找一種在人體和鼻子中都很豐富的嗅覺受體，認(rèn)為這樣的受體更有望通過人工制備，并且同時還希望這種受體能檢測水溶性氣味。他們最終選擇了一種叫作OR51E2的受體。這種受體會對丙酸鹽產(chǎn)生反應(yīng)，正是這種分子帶來了瑞士奶酪的特殊氣味。但事實證明，即使是OR51E2也很難在實驗室里制備。典型的cryo-EM實驗需要一毫克的蛋白質(zhì)來產(chǎn)生原子級的圖像。但最終，研究人員開發(fā)出了一種新方法，它克服了這一領(lǐng)域的數(shù)個技術(shù)難題，最終僅僅使用了1/100毫克OR51E2，就讓受體和氣味分子的快照到手了。
人的嗅覺受體結(jié)合丙酸鹽分子（圖中紅黃相間的部分）的計算機模型。（圖/UCSF）這是首次看到氣味分子與人類嗅覺受體的連接。這張分子快照顯示，由于氣味分子和受體之間非常特殊的契合，丙酸鹽就好像緊緊粘在OR51E2上一樣。這一發(fā)現(xiàn)也支持了，嗅覺系統(tǒng)是我們身體面對危險的“哨兵”之一。雖然丙酸鹽帶來了瑞士奶酪豐富的堅果香氣味，但就其本身而言，它的氣味卻沒那么令人胃口大開。這種受體精準(zhǔn)地感知丙酸鹽，并可能已經(jīng)進(jìn)化到幫助檢測食物何時變壞。研究人員推測，像薄荷醇這樣令人愉悅的氣味的受體，可能反而與氣味分子的相互作用更加松散。除了一次使用大量受體外，嗅覺的另一種有趣的特性是，我們能夠檢測到非常細(xì)微的氣味，這些氣味可以轉(zhuǎn)瞬即逝。
為了研究丙酸鹽如何激活這一受體，研究人員使用基于物理學(xué)的方法來模擬OR51E2如何被丙酸鹽激活的，并制作成了電影。他們進(jìn)行了計算機模擬，了解丙酸鹽如何在原子水平上導(dǎo)致受體的形狀變化。這些形狀變化在嗅覺受體如何開啟嗅覺細(xì)胞信號傳導(dǎo)過程中扮演著關(guān)鍵作用。
只需一聞
團(tuán)隊現(xiàn)在正在開發(fā)更有效的技術(shù)來研究其他氣味分子和嗅覺受體對，更深入地了解與受體相關(guān)的非嗅覺生物學(xué)。這些受體還與前列腺癌和血清素的釋放有關(guān)聯(lián)。
他們認(rèn)為這將重新點燃人們對嗅覺科學(xué)的興趣，并對香水、食品科學(xué)和其他方面產(chǎn)生影響。未來，人們或許可以根據(jù)對化學(xué)物質(zhì)的形狀如何帶來感知體驗的理解，從而設(shè)計出新的氣味，就好像如今的藥物化學(xué)家會根據(jù)致病蛋白質(zhì)的形狀來設(shè)計藥物一樣。https://www.ucsf.edu/news/2023/03/424956/making-sense-scentshttps://www.nature.com/articles/d41586-023-00818-3IEEE Spectrum
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