گیرندههای بویایی چگونه کار میکنند؟
سیستم بویایی باید تعداد زیادی مولکول با چند صد گیرنده بو یا حتی کمتر تشخیص دهد. واضح است که باید منطق متفاوتی نسبت به سایر سیستمهای حسی ایجاد کند.
به گزارش
گروه وبگردی خبرگزاری صدا و سیما، هیچ چیز با چالشی که سیستم بویایی در زیر حس بویایی ما نهفته است، مطابقت ندارد. ما برای درک تمام رنگهای رنگین کمان فقط به سه گیرنده در چشمان خود احتیاج داریم- این به این دلیل است که رنگهای مختلف به صورت امواج نوری ظاهر میشوند که فقط در یک بعد، فرکانس آنها متفاوت است.
جهان رنگارنگ و پر جنب و جوش، اما در مقایسه با پیچیدگی جهان شیمیایی رنگ پریده است، با میلیونها بو، که هر یک از صدها مولکول تشکیل شده اند، همه از نظر شکل، اندازه و خواص بسیار متفاوت هستند. به عنوان مثال، بوی قهوه از ترکیبی از بیش از ۲۰۰ جزء شیمیایی بیرون میآید، که هر کدام از نظر ساختاری متنوع هستند و هیچ کدام در واقع بوی قهوه به تنهایی بو نمیدهند.
ونسا روتا، عصب شناس راکفلر میگوید: «سیستم بویایی باید تعداد زیادی مولکول با چند صد گیرنده بو یا حتی کمتر تشخیص دهد. واضح است که باید منطق متفاوتی نسبت به سایر سیستمهای حسی ایجاد کند.»
در یک مطالعه جدید، روتا و همکارانش با ارائه اولین دیدگاههای مولکولی از گیرندههای بویایی در محل کار، به سوال چند دههای که در تشخیص بو نامیده میشود پاسخ میدهند.
یافتههای منتشر شده در Nature نشان میدهد که گیرندههای بویایی در واقع منطقی را دنبال میکنند که به ندرت در سایر گیرندههای سیستم عصبی دیده میشود. در حالی که اکثر گیرندهها دقیقاً به گونهای شکل گرفته اند که تنها با چند مولکول انتخابی به صورت قفل و کلید جفت شوند، اکثر گیرندههای بویایی هر یک به تعداد زیادی مولکول مختلف متصل میشوند.
بی پروایی آنها در ترکیب با انواع بوها به هر گیرنده اجازه میدهد تا به بسیاری از اجزای شیمیایی پاسخ دهد. از آنجا، مغز میتواند بو را با در نظر گرفتن الگوی فعال سازی ترکیب گیرندهها تشخیص دهد.
شناخت جامع
گیرندههای بویایی ۳۰ سال پیش کشف شدند. اما دانشمندان نتوانسته اند آنها را از نزدیک ببینند و عملکردهای مکانیکی و مکانیکی آنها را رمزگشایی کنند، تا حدی به این دلیل که این گیرندهها خود را به روشهای معمول تصویربرداری مولکولی وام نداده اند. با پیچیده شدن موضوع، به نظر میرسد هیچ قافیه یا دلیلی برای ترجیح گیرندهها وجود ندارد - یک گیرنده بو میتواند به ترکیباتی که از نظر ساختاری و شیمیایی متفاوت هستند پاسخ دهد.
یک فوق تخصص در این باره میگوید: «برای ایجاد یک درک اساسی از تشخیص بو، ما باید بدانیم که چگونه یک گیرنده میتواند چندین ماده شیمیایی مختلف را تشخیص دهد، که این ویژگی اصلی عملکرد سیستم بویایی است و یک راز است.»
بنابراین روتا و دل مورمول، به همراه مکنزی یدلین، دستیار تحقیق در آزمایشگاه، با استفاده از پیشرفتهای اخیر در میکروسکوپ الکترونی کرایو برای حل ساختار گیرنده بو اقدام کردند. این تکنیک، که شامل پرتوهای الکترون در نمونه یخ زده است، میتواند ساختارهای مولکولی بسیار کوچک را به صورت سه بعدی، تا اتمهای جداگانه آنها آشکار کند.
تیم به سراغ «زبره دُم» رفت، حشرهای که ژنوم آن به تازگی توالی یابی شده است و تنها پنج نوع گیرنده بویایی دارد. اگرچه سیستم بویایی زبرهدُم ساده است، اما گیرندههای آن متعلق به خانواده بزرگی از گیرندهها با دهها میلیون نوع مختلف است که تصور میشود در صدها هزار گونه مختلف حشره وجود دارد. علیرغم تنوع، این گیرندهها به یک شکل عمل میکنند: آنها یک کانال یونی را تشکیل میدهند - منافذی که ذرات باردار از طریق آن جریان مییابند - که تنها زمانی که گیرنده با بوی نامطبوع خود برخورد میکند باز میشود و در نهایت سلولهای حسی که حس بویایی را آغاز میکنند فعال میشود.
محققان OR ۵ را انتخاب کردند، گیرنده متعلق به زبرهدم که توانایی تشخیص گستردهای دارد و به ۶۰ درصد از مولکولهای کوچک آزمایش شده پاسخ میدهد.
آنها سپس ساختار OR ۵ را به تنهایی مورد بررسی قرار دادند و همچنین به یک ماده شیمیایی، یا اوژنول، یک مولکول رایحه رایج، یا DEET، دافع حشرات متصل شدند.
روتا میگوید: «ما از مقایسه این سه ساختار چیزهای زیادی آموختیم. یکی از نکات جالبی که میتوانید مشاهده کنید این است که در این ساختار نامحدود، منافذ بسته شده است، اما در ساختاری که به اوژنول یا DEET متصل است، منافذ متسع شده و مسیری را برای جریان یونها فراهم میکند.»
با ساختارهای در دست، تیم نزدیکتر به نظر میرسید تا دقیقاً ببیند که چگونه دو مولکول شیمیایی متفاوت به گیرنده متصل میشوند. دو ایده در مورد تعامل گیرندههای بو با مولکولها وجود دارد. یکی این است که گیرندهها تکامل یافته اند تا بخشهای بزرگی از مولکولها را با پاسخ به ویژگی جزئی، اما تعیین کننده یک مولکول، مانند بخشی از شکل آن، تشخیص دهند. محققان دیگر پیشنهاد کرده اند که هر گیرنده به طور همزمان چندین جیب روی سطح خود قرار داده و به آن اجازه میدهد تعدادی مولکول مختلف را در خود جای دهد.
اما آنچه روتا یافت هیچ کدام از آن سناریوها مناسب نبود. مشخص شد که DEET و اوژنول در یک مکان متصل میشوند و کاملاً در یک جیب ساده در گیرنده قرار میگیرند؛ و در کمال تعجب، اسیدهای آمینه پوشاننده جیب، پیوندهای شیمیایی قوی و انتخابی با بوها ایجاد نمیکنند، بلکه فقط پیوندهای ضعیفی ایجاد میکنند. در حالی که در اکثر سیستمهای دیگر، گیرندهها و مولکولهای هدف آنها مطابقت شیمیایی خوبی دارند، در اینجا آنها بیشتر شبیه آشنایان دوستانه به نظر میرسند.
روتا میگوید: «این نوع فعل و انفعالات شیمیایی غیر اختصاصی باعث میشود که بوهای مختلف تشخیص داده شوند. به این ترتیب، گیرنده انتخابی برای یک ویژگی شیمیایی خاص نیست. روتا میگوید، بلکه تشخیص ماهیت شیمیایی کلی بو است؛ و همانطور که مدلهای محاسباتی نشان داد، همان جیب میتواند بسیاری از مولکولهای بوی دیگر را به طور یکسان در خود جای دهد.»
روتا میگوید، اما بیقاعدگی گیرنده به این معنا نیست که ویژگی خاصی ندارد. اگرچه هر گیرنده به تعداد زیادی از مولکولها پاسخ میدهد، اما نسبت به بقیه حساس نیست. علاوه بر این، یک جهش ساده در اسیدهای آمینه محل اتصال، گیرنده را مجدداً پیکربندی میکند و مولکولهایی را که ترجیح میدهد با آنها متصل شوند، تغییر میدهد. این یافته اخیر همچنین توضیح میدهد که چگونه حشرات توانسته اند میلیونها نوع گیرنده بو را برای طیف گستردهای از شیوههای زندگی و زیستگاههایی که با آنها روبرو هستند، تکامل دهند.
روتا میگوید «این یافتهها به احتمال زیاد نماینده بسیاری از گیرندههای بویایی هستند. آنها به اصول کلیدی در تشخیص بو، نه تنها در گیرندههای حشرات، بلکه در گیرندههای داخل بینی خود نیز اشاره میکنند که باید جهان شیمیایی غنی را نیز تشخیص داده و تبعیض قائل شوند.»