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。无论是花的香味、甜美的香草、香烟的烟味还是汽油的刺激味，当微小的气味分子与我们鼻子里的受体相连时，一切便开始了。这些连接产生了我们对气味的喜好、厌恶或容忍。科学家们一直渴望准确地了解我们的嗅觉感受器是如何捕捉这些气味分子并以精确的方式对其作出反应的。但直到最近，人类的嗅觉感受器是如何工作的还很难看清。
一组科学家在《自然》杂志上发表的一篇新文章中，终于揭示了一个嗅觉受体的隐藏3D形状，同时也揭示了一种存在于瑞士奶酪和体味中的特定物质是如何被捕捉的。迈克尔·施穆克是英国赫特福德大学的气味研究化学信息学专家，他强调了围绕这些气味受体的实际结构已经存在的长期谜团。尽管施穆克本人没有参与这项研究，但他认为这是一个重大突破。
嗅觉专家们的研究认为，对于理解鼻子和大脑如何协同工作来解释气味、发出变质食物的信号、触发童年记忆、帮助寻找伴侣以及扮演其他重要角色，他们取得了一定进展。理解复杂的化学物质从鼻子传递到大脑的过程对于研究人员来说是具有挑战性的。据研究人员估计，人类的鼻子中含有大约400种嗅觉感受器，用于检测被称为“挥发物”的各种气味物质，这些分子很容易变成蒸汽，从三原子的臭硫化氢到麝香类化合物。根据一些估计，可能存在着约400亿种或更多的潜在气味物质。
杜克大学的嗅觉专家HiroakiMatsunami是最新研究的贡献者，他的研究发现我们如何识别和区分广泛的气味物质。嗅觉受体位于鼻神经元表面，并在捕获气味分子时改变形状。这种变化会触发这些神经元向负责处理气味的大脑区域发送信号。科学家们一直希望准确观察这种受体和气味分子之间的相互作用以了解其详细展开过程。
2021年，一项研究揭示了昆虫如何嗅闻气味的机制:洛克菲勒大学的科学家们揭示了一种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，这一发现对于人类嗅觉并没有提供重要见解，因为昆虫的嗅觉受体与我们的嗅觉系统完全不同。人类的嗅觉受体是一群名为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，通过感知从光线到激素等各种刺激，在许多生物功能中发挥作用。
在过去的二十年里，科学家们已经揭示了许多G蛋白偶联受体（GPCR）的复杂结构，但却尚未发现嗅觉受体的结构。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中的鼻神经元中培养时，往往无法正常成熟。为了克服这一障碍，Matsunami实验室的HiroakiMatsunami和ClairedeMarch从遗传学角度着手研究修改嗅觉受体的方法。他们的目标是使这些受体更加稳定，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以及Manglik团队的资深科学家ChristianBillesbølle展开合作。
随着研究小组继续进行工作，他们决定再次尝试提取一种天然受体，尽管预计可能会失败。AashishManglik回忆说，他们意识到这种方法可能会失败，但他们认为还是值得一试。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，还分布在肠道、肾脏和前列腺等多种器官中。ChristianBillesbølle的全力付出得到了回报，使他们能够获得足够的OR51E2用于他们的研究。接着，他们将这种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。
为了对丙酸盐受体进行详细的拍摄，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，可以快速拍摄冷冻的蛋白质样品。他们的研究发现，在这些分子的结合构象中，OR51E2将丙酸封闭在一个小的口袋中。当他们扩大这个口袋时，受体对丙酸和另一种小分子的敏感性降低，这通常会激活受体。通过调整受体的结构，它更倾向于与较大的气味分子结合，从而验证了这个口袋的大小和化学特性对受体的校准，以便检测有限范围内的分子。
通过详细分析发现，受体表面存在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，它就会密封口袋。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着作用。此外，可能还有更多关于OR51E2的发现。尽管这项研究主要集中在装有丙酸盐的口袋上，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。
贝克曼研究所的计算化学家NagarajanVaidehi强调，尽管显微镜照片显示了一个固定的结构，但这些受体实际上是在不断运动的。她的团队使用计算机模拟来可视化OR51E2在不冻结的情况下可能的移动方式。对于现在在法国国家科学研究中心工作的克莱尔·德·马奇来说，OR51E2的研究成果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，她表示，这些新发现提供了她一直在职业生涯中寻找的答案。这是她第一次具体解决她以前所有猜测的问题。
根据Matsunami的研究，其他类似于OR51e2的人类嗅觉感受器可能以相似的方式工作。对于研究人员来说，精确定位嗅觉功能的结构是理解主导我们嗅觉基本原理的重要一步。然而，还有很多待发现的事物。科学家们对于有关哪些分子可以激活大约四分之一的人类嗅觉感受器，目前仅有模糊的概念。莫内尔化学感觉中心的嗅觉神经科学家乔尔·内特并未参与此项研究，他认为拥有更多像OR51E2这样的结构可能有助于揭开嗅觉的生物奥秘。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来预测哪些气味会与特定的受体结合。
了解受体如何选择特定的气味只是揭示气味神秘性的一部分。嗅觉神经科学家马特·瓦乔维亚克（MattWachowiak）未参与这项研究，他指出理解嗅觉需要解码大脑如何将这些受体发出的信号转化为感知。事实上，我们所遇到的大多数气味都是来自多种化学物质混合而成的。Wachowiak强调了这一挑战:我们需要迅速识别和区分这些模式，不论在何种情况下。真正的难题在于理解我们的大脑是如何完成这一壮举的。
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