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Lo studio offre le visualizzazioni molecolari su come i ricevitori olfattivi funzionano

Tutti i sensi devono stimare con la ricchezza del mondo, ma niente abbina la sfida affrontata dal sistema olfattivo che è alla base del nostro odorato. Abbiamo bisogno di soltanto tre ricevitori nei nostri occhi di percepire tutti i colori del Rainbow; quello è perché le tonalità differenti emergono come onde luminose che variano attraverso appena una dimensione, la loro frequenza. Il mondo variopinto vibrante, tuttavia, impallidisce rispetto alla complessità del mondo chimico, con i suoi numerosi milioni di odori, di ciascuno composti di centinaia di molecole, interamente varianti notevolmente nella forma, nella dimensione e nei beni. L'odore di caffè, per esempio, emerge da una combinazione di più di 200 componenti chimiche, di cui ciascuno sono strutturalmente diverse e da nessuno di cui realmente odora come caffè da sè.

Il sistema olfattivo deve riconoscere un vasto numero delle molecole con soltanto alcuni ricevitori o persino di meno di cento odori. È chiaro che ha dovuto evolvere un genere differente di logica che altri sistemi sensoriali.„

Ruta della vanessa, neuroscenziato di Rockefeller

In un nuovo studio, la ruta ed i suoi colleghi offrono le risposte alla domanda di decenni del riconoscimento di odore fornendo le visualizzazioni molecolari mai viste di un ricevitore olfattivo sul lavoro.

I risultati, pubblicati in natura, rivelano che i ricevitori olfattivi effettivamente seguono una logica veduta raramente in altri ricevitori del sistema nervoso. Mentre la maggior parte dei ricevitori sono modellati precisamente per accoppiare con soltanto alcune molecole selezionate ad un modo di blocco-e-tasto, la maggior parte dei ricevitori olfattivi ogni legatura a tantissime molecole differenti. La loro promiscuità nell'accoppiamento con vari odori permette che ogni ricevitore risponda a molte componenti chimiche. Da là, il cervello può capire l'odore considerando il reticolo di attivazione delle combinazioni di ricevitori.

Riconoscimento olistico

I ricevitori olfattivi sono stati scoperti 30 anni fa. Ma gli scienziati non hanno potuti realmente vederli sulla fine e decifrare i loro funzionamenti strutturali e meccanicistici, in parte perché questi ricevitori non si sono prestati ai metodi molecolari comunemente disponibili della rappresentazione. Complicando la materia, non c'sembra essere rima o ragione alle preferenze dei ricevitori; un ricevitore determinato di odore può rispondere ai composti che sono sia strutturalmente che chimicamente differenti.

“Per formare una conoscenza di base del riconoscimento che odorante dobbiamo sapere un singolo ricevitore può riconoscere i prodotti chimici differenti di multiplo, che è una caratteristica fondamentale di come il sistema olfattivo funziona ed è stato un mistero,„ dice Josefina del Mármol, un postdoc nel laboratorio della ruta.

Così ruta e del Mármol, con il McKenzie Yedlin, un assistente di ricerca in laboratorio, precisato per risolvere la struttura di un ricevitore di odore che approfitta degli avanzamenti recenti nella microscopia dell'cryo-elettrone. Questa tecnica, che comprende irradiare gli elettroni ad un esemplare congelato, può rivelare le costruzioni molecolari estremamente piccole in 3D, giù ai loro diversi atomi.

Il gruppo girato verso il bristletail di salto, un insetto dell'terra-abitazione di cui il genoma recentemente è stato ordinato ed ha soltanto cinque generi di ricevitori olfattivi. Sebbene il sistema olfattivo del bristletail di salto sia semplice, i sui ricevitori appartengono ad una famiglia numerosa dei ricevitori con pensiero decine di milioni di varianti per esistere nelle centinaia di migliaia di specie differenti dell'insetto. Malgrado la loro diversità, funzione di questi ricevitori lo stesso modo: Formano un canale dello ione; un poro per cui le particelle fatte pagare passano; quello si apre soltanto quando il ricevitore incontra il suo odorante dell'obiettivo, infine attivando le celle sensoriali che iniziano l'odorato.

I ricercatori hanno scelto OR5, un ricevitore dal bristletail di salto con vasta capacità di riconoscimento, rispondente a 60 per cento di piccole molecole che hanno provato.

Poi hanno esaminato la struttura di OR5 da solo ed egualmente limitano ad un prodotto chimico, eugenolo, una molecola comune di odore, o DEET, la cosa repellente di insetto. “Abbiamo imparato molto dal paragone delle queste tre strutture,„ la ruta dice. “Una di belle cose che potete vedere è quella nella struttura non legata il poro è chiuso, ma nella struttura in cui ha limitato con eugenolo o DEET, il poro ha dilatato e fornisce una via per gli ioni a flusso.„

Con le strutture a disposizione, il gruppo ha guardato più vicino a vede esattamente dove e come le due molecole chimicamente differenti legano al ricevitore. Ci sono stati due idee circa le interazioni dei ricevitori di odore con le molecole. Uno è che i ricevitori si sono evoluti per distinguere le grandi bande delle molecole rispondendo ad un parziale ma definendo la funzionalità di una molecola, quale una parte della sua forma. Altri ricercatori hanno proposto che ogni ricevitore imballasse le caselle multiple sulla sua superficie immediatamente, permettendo che accomodi una serie di molecole differenti.

Ma che ruta ha trovato la misura nessuni di quegli scenari. È risultato che sia DEET che l'eugenolo legano alla stessa posizione e si adattano interamente dentro una casella semplice all'interno del ricevitore. E sorprendente, gli amminoacidi che allineano la casella non hanno formato i forti, legami chimici selettivi con gli odoranti, ma soltanto le obbligazioni deboli. Considerando che nella maggior parte degli altri sistemi, i ricevitori e le loro molecole dell'obiettivo sono buone corrispondenze chimiche, qui essi sono sembrato più simile alle conoscenze amichevoli. “Questi generi di interazioni chimiche non specifiche permettono che gli odoranti differenti siano riconosciuti,„ la ruta dice. “In questo modo, il ricevitore non è selettivo ad una funzionalità chimica specifica. Piuttosto, sta riconoscendo la natura chimica più generale dell'odorante,„ la ruta dice.

E poichè la modellistica di calcolo rivelatrice, la stessa casella potrebbe accomodare molte altre molecole di odore appena nello stesso modo.

Ma la promiscuità del ricevitore non significa che non ha specificità, la ruta dice. Sebbene ogni ricevitore risponda a tantissime molecole, è insensibile ad altri. Inoltre, una mutazione semplice negli amminoacidi della sede del legame modificherebbe largamente il ricevitore, cambiante le molecole con cui preferisce legare. Questo ultimo che trova anche contribuisce a spiegare come gli insetti hanno potuti evolvere molti milioni di varietà del ricevitore di odore adatte per la vasta gamma degli stili di vita e degli habitat che incontrano.

I risultati sono rappresentante probabile di molti ricevitori olfattivi, la ruta dice. “Indicano i principi chiave nel riconoscimento odorante, non solo in ricevitori degli insetti ma anche in ricevitori all'interno dei nostri propri radiatori anteriori che devono anche individuare e discriminano il mondo chimico ricco.„

Source:
Journal reference:

del Mármol, J., et al. (2021) The structural basis of odorant recognition in insect olfactory receptors. Nature. doi.org/10.1038/s41586-021-03794-8.