研究人员最近终于弄清楚了我们的鼻子是如何捕捉气味的。 无论是花香、甜香草、香烟烟雾还是汽油的刺鼻气味，这一切都始于微小的气味分子连接到我们鼻子中的受体。 这些联系创造了我们对气味的好恶或容忍度。 长期以来，科学家们一直渴望确切地了解我们的嗅觉受体如何捕获这些气味分子并以精确的方式对它们做出反应。 但直到最近，人们还很难看到人类的嗅觉受体是如何工作的。
在发表在《自然》杂志上的一篇新文章中，一组科学家终于揭示了嗅觉受体隐藏的3D形状，同时还揭示了瑞士奶酪和体味中发现的特定物质是如何被捕获的。 英国赫特福德大学（University of Hertfordshire）气味研究化学信息学专家迈克尔·施穆克（Michael Schmuck）强调了围绕这些气味受体的实际结构存在的长期谜团。 虽然Schmuck本人没有参与这项研究，但他认为这是一个重大突破。
嗅觉专家认为，他们在理解鼻子和大脑如何协同工作以解释气味、发出变质食物信号、触发童年记忆、帮助寻找伴侣以及发挥其他重要作用方面取得了进展。 对于研究人员来说，了解复杂化学物质从鼻子传递到大脑的过程可能具有挑战性。 研究人员估计，人类鼻子含有大约400个嗅觉受体，可以检测各种称为“挥发物”的气味物质，这些分子很容易变成蒸气，从三原子臭硫化氢到麝香状化合物。 根据一些估计，可能有大约400亿或更多的潜在气味。
杜克大学的嗅觉专家、最新研究的贡献者Hiroakimatsunami发现了我们如何识别和区分各种气味物质。 嗅觉受体位于鼻神经元的表面，当它们捕获气味分子时会改变形状。 这种变化触发这些神经元向大脑中负责处理气味的区域发送信号。 科学家们一直希望能够准确地观察这种受体和气味分子之间的相互作用，以详细了解其展开过程。
2021 年，一项研究揭示了昆虫闻到气味的机制：洛克菲勒大学的科学家揭示了特定昆虫的嗅觉受体结构以及它如何识别具有不同化学成分的分子。 然而，这一发现并没有为人类嗅觉提供重要的见解，因为昆虫的嗅觉受体与我们的嗅觉系统完全不同。 人类嗅觉受体是一组称为 G 蛋白偶联受体 （GPCR） 的蛋白质的一部分。 这些蛋白质位于细胞膜内，通过感知从光到激素的各种刺激，在许多生物学功能中发挥作用。
在过去的二十年里，科学家们揭示了许多G蛋白偶联受体（GPCRs）的复杂结构，但嗅觉受体的结构尚未被发现。 为了研究这些受体，研究人员需要在实验室培养的细胞中重建它们。 然而，当嗅觉受体在实验室的鼻神经元中培养时，它们往往无法正常成熟。 为了克服这一障碍，松波实验室的Hiroaki Matsunami和Clairedemarch着手研究从遗传学角度修饰嗅觉受体的方法。 他们的目标是使这些受体更稳定，更容易在不同类型的细胞中生长。 他们与加州大学旧金山分校的生物化学家AashishManglik和Manglik团队的高级科学家Christian Billesb Lle合作。
随着研究小组继续他们的工作，他们决定再次尝试提取天然受体，尽管它预计会失败。 Aashishmanglik 回忆说，他们意识到这种方法可能会失败，但他们认为仍然值得一试。 为了增加成功的机会，他们选择了一种气味受体OR51E2，它不仅存在于鼻子中，还存在于肠道、肾脏和前列腺等多个器官中。 Christianbillesb LLE的全心全意得到了回报，使他们能够获得足够的OR51E2用于他们的研究。 然后，他们将受体暴露于一种已知的气味分子：丙酸盐，一种通过发酵产生的短链脂肪酸。
为了获得丙酸受体的详细图片，研究人员采用了冷冻电子显微镜，这是一种先进的成像方法，可以快速拍摄冷冻蛋白质样品的照片。 他们的研究发现，在这些分子的结合构象中，OR51E2将丙酸包裹在一个小口袋中。 当它们扩大这个口袋时，受体对丙酸和另一个小分子的敏感性降低，而丙酸和另一个小分子通常会激活受体。 通过调整受体的结构，它更倾向于与更大的气味分子结合，从而通过该口袋的大小和化学性质来验证受体的校准，以检测有限范围的分子。
通过详细分析，发现受体表面有一个小而灵活的环状结构，就像一个盖子，一旦气味分子被困在里面，它就会密封袋子。 Aashishmanglik认为，这种灵活的结构可能在我们检测各种化合物的能力中发挥作用。 此外，关于OR51E2可能还有更多发现。 虽然这项研究主要集中在含有丙酸盐的口袋上，但研究人员认为，丙酸盐受体可能具有额外的结合位点，这些结合位点可以与鼻腔以外的组织中遇到的不同气味或化学信号相互作用。
贝克曼研究所（Beckman Institute）的计算化学家Nagara Janvaidehi强调，尽管显微镜显示出固定的结构，但这些受体实际上是在不断运动。 她的团队使用计算机模拟来可视化OR51E2如何在不冻结的情况下移动。 对于现在在法国国家科学研究中心工作的克莱尔·德·马奇（Claire de March）来说，OR51E2的成果已经将多年的理论变成了现实。 在专注于气味受体的理论模型之后，她说这些新发现提供了她在职业生涯中一直在寻找的答案。 这是她第一次具体解决之前猜测的所有问题。
根据Matsunami的研究，其他类似于OR51E2的人类嗅觉受体可能以类似的方式起作用。 对于研究人员来说，确定嗅觉功能的结构是理解控制我们嗅觉的基本原理的重要一步。 然而，还有很多东西有待发现。 科学家们对哪些分子激活了大约四分之一的人类嗅觉受体只有一个模糊的概念。 蒙乃尔化学感官中心的嗅觉神经科学家乔尔·内特（Joel Nett）没有参与这项研究，他认为拥有更多像OR51E2这样的结构可以帮助解开嗅觉的生物学奥秘。 随着我们对大脑如何编码气味有了更深入的了解，我们希望建立可靠的模型，说明哪些气味与特定受体结合。
了解受体如何选择特定的气味只是揭示气味奥秘的一部分。 没有参与这项研究的嗅觉神经科学家马特·瓦乔维亚克（Matt Wachowiak）指出，理解嗅觉需要解码大脑如何将来自这些受体的信号转化为感知。 事实上，我们遇到的大多数气味都来自化学物质的混合物。 Wachowiak强调了这一挑战：无论在何种情况下，我们都需要快速识别和区分这些模式。 真正的挑战是了解我们的大脑是如何完成这一壮举的。
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