Wie Insekten verschiedene Zuckerarten unterscheiden

Während Menschen auf ihrer Zunge einen Rezeptor haben, der alle möglichen süßen Dinge erkennen kann, von echtem Zucker bis hin zu künstlichen Süßungsmitteln wie Aspartam, verfügen Insekten über viele Rezeptoren, die jeweils bestimmte Zuckerarten erkennen. Yale-Forscher haben nun herausgefunden, wie Insektenrezeptoren so selektiv sein können. Sie sagen, dass diese Erkenntnis uns helfen wird zu verstehen, wie Tiere die chemische Welt entschlüsseln und wie wir diese Fähigkeit in Zukunft nachahmen könnten.

Sie berichteten über ihre Erkenntnisse in einer Studie veröffentlicht in Natur.

Zucker ist für Tiere und Menschen gleichermaßen wichtig, sagt Joel Butterwick, Assistenzprofessor für Pharmakologie an der Yale School of Medicine und leitender Autor der Studie.

„Wir alle schmecken Zucker. Er ist eine wichtige Energiequelle für nahezu jedes Tier“, sagte Butterwick.

Die Fähigkeit, Zucker zu schmecken, ist auch wichtig, um notwendige Nährstoffe zu erkennen und ein angenehmes Gefühl zu erzeugen, das mit Nährstoffen einhergeht. Anders als Säugetiere verlassen sich Insekten auch auf ihr Geschmackssystem, um Paarungspartner zu erkennen und die besten Orte für die Eiablage zu finden.

Aber wie Insekten bestimmte Zucker erkennen – wie sie zwischen Molekülen unterscheiden, die einander recht ähnlich sehen, aber feine Unterschiede aufweisen – ist bisher unklar. Um die Empfindlichkeit der Geschmacksrezeptoren von Insekten besser zu verstehen, konzentrierten sich Butterwick und sein Forschungsteam auf einen Rezeptor, der so selektiv ist, dass er nur auf eine Zuckerart reagiert – D-Fructose.

Der Rezeptor kommt im Mund und im Gehirn von Seidenmotten vor. Als ligandengesteuerter Rezeptor wird er erst aktiviert, nachdem sich sein Ligand – das Molekül, das an ihn binden kann – anheftet.

Obwohl D-Fructose der einzige Zucker ist, der diesen Rezeptor aktiviert, stellten die Forscher unerwartet fest, dass mehrere andere Zucker daran binden, sagten die Forscher.

„Das hat uns gezeigt, dass der Bereich, in dem sich diese Zucker anlagern, die Bindungstasche, nicht das Einzige ist, was die Aktivierung bestimmt“, sagte Butterwick. „Es musste eine andere Erklärung geben. Deshalb wollten wir den Rezeptor auf atomarer Ebene betrachten, um im Detail zu sehen, wie Zucker und Rezeptor interagieren.“

Das Team kartierte die Struktur des Rezeptors allein sowie des an D-Fructose gebundenen Rezeptors. Sie beobachteten, dass sich D-Fruktose in die Bindungstasche einfügte und eine Formänderung auslöste, die den Rezeptor aktivierte.

Anschließend kartierten sie die Struktur des Rezeptors, wenn er an einen Zucker gebunden war, der D-Fructose sehr ähnlich war. Dieser Zucker, L-Sorbose, schien zwar genauso gut an den Rezeptor zu binden wie D-Fructose, veränderte jedoch nicht die Form des Rezeptors und ließ den Rezeptor inaktiv. Es stellte sich heraus, dass der Unterschied zwischen den beiden Zuckern nicht darin bestand, wie sie sich an die Bindungstasche anhefteten, sondern darin, wie sie mit einer molekularen Brücke interagierten, die die Bindungstasche mit einem anderen Teil des Rezeptors verbindet.

Kurz gesagt war D-Fructose in der Lage, diese Brücke zu binden und die Formänderung einzuleiten, L-Sorbose jedoch nicht.

„Was unserer Meinung nach daran interessant ist, ist, dass es Wechselwirkungen außerhalb der Tasche gibt, die als Selektionsmechanismus fungieren“, sagte Butterwick. „Und die Evolution funktioniert wahrscheinlich auf beiden Aspekten. Beispielsweise kann ein weniger spezifischer Rezeptor als dieser mehr Moleküle binden, oder vielleicht ist seine Brücke leichter zu aktivieren. Da mehrere Aspekte berücksichtigt werden müssen, gibt es für die Evolution mehr Möglichkeiten zur Feinabstimmung.“ diese Rezeptoren.“

Die Aufdeckung der Mechanismen, die der Erkennung verschiedener Substanzen durch Rezeptoren zugrunde liegen, wird Forschern helfen zu verstehen, wie Geruch und Geschmack es Menschen und Tieren ermöglichen, die chemische Welt zu entschlüsseln, sagt Butterwick.

Es könnte auch die Entwicklung von Biosensoren beeinflussen, fügte er hinzu. Manche Hunde können Krankheiten wie Krebs oder Parkinson riechen. Zu wissen, wie Geruchs- und Geschmacksrezeptoren Substanzen unterscheiden, würde die Entwicklung „elektronischer Nasen“ unterstützen, die Krankheiten aufspüren könnten.

„Die Leute versuchen bereits, dies zu tun. Und obwohl es ein paar Erfolge gab, gab es noch mehr Misserfolge“, sagte Butterwick. „Unsere Arbeit hier könnte helfen zu erklären, warum es eine Herausforderung war. Es geht nicht nur darum, das interessierende Molekül zu binden. Es ist auch wichtig, wie der Rezeptor aktiviert wird.“

Zukünftig wollen die Forscher das pharmakologische Potenzial dieser Rezeptoren erforschen.

„Im Laufe der Geschichte gab es unzählige Fälle, in denen eine gelöste Atomstruktur den Weg zu großen Entdeckungen ebnete“, sagte João Victor Gomes, ein Doktorand in Butterwicks Labor und Hauptautor der Studie. Gomes stammt aus Brasilien, das derzeit mit einem starken Dengue-Anstieg konfrontiert ist. Allein in diesem Jahr wurden mehr als eine Million Fälle der durch Mücken übertragenen Krankheit registriert.

„Wenn wir Rezeptoren modulieren können, die das Fressverhalten von Insekten beeinflussen“, sagte er, „könnten wir vielleicht bessere Strategien gegen krankheitsübertragende Mücken entwickeln.“