El sentido del olfato, y el olfato, tiene un papel importante en la palatabilidad y el sabor de los alimentos. Para comprender mejor el olfato, científicos de la Universidad de California en San Francisco (Universidad de California, San Francisco) pintan una imagen en 3D a nivel molecular de cómo una molécula de olor activa los receptores de olor humanos, un paso crítico en la decodificación del sentido del olfato.
el los resultadospublicado en naturaleza, para reavivar el interés en la ciencia del olfato con implicaciones para la fragancia, la ciencia de los alimentos y más allá. Los receptores olfativos (u odorantes), las proteínas que se unen a las moléculas de olor en la superficie de las células olfativas, constituyen la mitad de la familia de receptores más grande y diversa de nuestro cuerpo.
Según Aashish Manglik, MD, PhD, profesor asociado de química farmacéutica y autor principal del estudio, el objetivo es mapear las interacciones de miles de moléculas de olor con cientos de receptores olfativos, para que un químico pueda diseñar una molécula y predecir qué olerá como.
«Pero no pudimos hacer este mapa porque sin una imagen, no sabemos cómo interactúan las moléculas de olor con sus correspondientes receptores de olor», dijo Manglik.
Haz un dibujo del olor del queso.
El olfato incluye alrededor de 400 receptores únicos. Cada uno de los cientos de miles de olores que podemos detectar está formado por una mezcla de diferentes moléculas de olor. Cada tipo de molécula puede ser detectada por un conjunto de receptores, creando un rompecabezas para que el cerebro lo resuelva cada vez que la nariz agarra algo nuevo.
«Es como tocar las teclas de un piano para producir un acorde», dijo Hiroaki Matsunami, PhD, profesor de genética molecular y microbiología en la Universidad de Duke y colaborador cercano de Manglik. El trabajo de Matsunami durante las últimas dos décadas se ha centrado en descifrar el sentido del olfato. «Ver cómo los receptores de olor se relacionan con un aroma explica cómo funciona eso en un nivel básico».
Para crear esa imagen, el laboratorio de Manglik utilizó un tipo de imagen llamado microscopía crioelectrónica (crio-EM) que permite a los investigadores ver la estructura atómica y estudiar las formas moleculares de las proteínas. Pero antes de que el equipo de Manglik pudiera visualizar la unión del receptor de olor a una molécula de olor, primero tenían que purificar suficiente proteína receptora.
Los receptores de olores son notoriamente desafiantes, y algunos dicen que son imposibles de fabricar en un laboratorio para tales fines.
El equipo de Manglik y Matsunami buscó receptores de olores que fueran abundantes tanto en el cuerpo como en la nariz, pensando que podría ser más fácil hacerlo artificialmente y que los olores solubles en agua también podrían detectarse. Se decidieron por un receptor llamado OR51E2, que se sabe que responde al propionato, una molécula que contribuye al olor acre del queso suizo.
Pero incluso OR51E2 ha resultado difícil de fabricar en el laboratorio. Los experimentos crio-EM típicos requieren miligramos de proteína para producir imágenes a nivel atómico, pero el coautor Christian Bilsbuel, Ph.D., científico principal en el laboratorio de Manglik, desarrolló enfoques para usar 1/100 de miligramo de OR51E2, lo que pone una instantánea del receptor y el odorante al alcance de la mano.
«Logramos esto superando varias dificultades técnicas que han frenado el campo durante mucho tiempo», dijo Bilspoel. «Hacer esto nos permitió vislumbrar por primera vez un olor adherido a los receptores de olor humanos en el momento exacto en que se detecta el olor».
Esta instantánea molecular mostró que el propionato se une fuertemente a OR51E2 gracias a la alineación muy específica entre el odorante y el receptor. El sarcasmo se encuentra con uno de los deberes del sistema olfativo como centinela del peligro.
Mientras que el propionato contribuye al rico aroma a nuez del queso suizo, su aroma es menos apetitoso.
«Este receptor enfocado con láser está tratando de detectar el propionato y puede haber evolucionado para ayudar a detectar si la comida es mala», dijo Manglik. Especuló que los receptores agradables para olores como el mentol o la alcaravea podrían reaccionar de manera más fluida a los olores.
solo un soplo
Además de usar una gran cantidad de receptores a la vez, otra característica interesante de nuestro sentido del olfato es nuestra capacidad para detectar pequeñas cantidades de olores que pueden aparecer y desaparecer. Para explorar cómo los propionatos activan este receptor, la colaboración reclutó al biólogo cuantitativo Nagarajan Vaidehi, PhD, de City of Hope, quien ha utilizado métodos basados en la física para simular y producir películas sobre cómo el propionato activa OR51E2.
«Ejecutamos simulaciones por computadora para comprender cómo el propionato provoca un cambio de forma en el receptor a nivel atómico», dijo Vaidi. “Estos cambios en la forma juegan un papel importante en cómo los receptores de olores inician el proceso de señalización celular que impulsa nuestro sentido del olfato”.
Manglik visualiza un futuro en el que se pueden diseñar nuevos aromas basados en la comprensión de cómo la forma de un químico conduce a una experiencia perceptiva, en contraste con la forma en que los químicos farmacéuticos de hoy diseñan medicamentos basados en las formas atómicas de las proteínas que causan enfermedades.
«Hemos soñado con abordar este problema durante años», dijo. «Ahora tenemos nuestro primer punto de apoyo, nuestro primer vistazo de cómo las moléculas de olor se relacionan con nuestros receptores de olor. Para nosotros, esto es solo el comienzo».
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