Ein Forscherteam unter der Leitung der Duke University, der University of California San Francisco und des Beckman Research Institute der City of Hope hat Geruchsrezeptoren entwickelt, um die molekulare Grundlage der Geruchsunterscheidung aufzudecken.
Wirbeltiere nehmen Gerüche über G-Protein-gekoppelte Geruchsrezeptoren (ORs) wahr. Der Mensch verfügt über etwa 400 solcher Rezeptoren, die es uns ermöglichen, aus den schlechten Gerüchen, denen wir begegnen, das Gute zu erschnüffeln.
Die OR-Familie besteht aus zwei Hauptklassen. ORs der Klasse I sind auf Carbonsäuren abgestimmt und erfassen Gerüche von Essig, verdorbener Milch, Schweiß, bestimmten Käsesorten, tierischen Fetten und einigen Speiseölen. ORs der Klasse II reagieren auf eine Vielzahl von Geruchsstoffen und repräsentieren den größten Teil des menschlichen Geruchssinns.
Zu verstehen, wie das olfaktorische System Geruchsstoffe mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften erkennt und unterscheidet, bleibt eine Herausforderung, da es schwierig ist, diese natürlichen Rezeptorstellen in Aktion zu visualisieren.
Die Beobachtung von ORs, die in einer menschlichen Nase interagieren, ist mit der aktuellen Labortechnologie nicht möglich. Glücklicherweise haben die Forscher herausgefunden, dass die Wiederherstellung der ORs in einer synthetischen Laborumgebung etwas ist, was die Wissenschaft tun kann.
In der Studie heißt es: „Konstruierte Geruchsrezeptoren beleuchten die Grundlagen der Geruchsunterscheidung.“ veröffentlicht In Naturverwendeten die Forscher künstlich hergestellte ORs, die mithilfe einer Konsens-Proteindesign-Strategie hergestellt wurden, um die molekularen Eigenschaften von Geruchsstoffinteraktionen mit OR aufzudecken.
Gentechnisch veränderte ORs wurden den 17 Hauptunterfamilien menschlicher ORs genetisch nachempfunden und lieferten Vorlagen für einzelne native ORs mit hoher Sequenz- und Strukturähnlichkeit.
Nachdem sie die manipulierten ORs entworfen hatten, erstellte das Team individuelle genetische Anweisungen (synthetische DNA), um diese synthetischen Rezeptoren herzustellen. Die synthetische DNA wurde dann in Vektoren eingefügt, kleine kreisförmige DNA-Moleküle, die sich unabhängig innerhalb einer Wirtszelle replizieren können.
Diese Vektoren wurden in im Labor gezüchtete menschliche Zellen eingeführt, wobei die Zellen als winzige Fabriken genutzt wurden, die die genetischen Anweisungen in manipulierte OR-Proteine umwandelten.
Die Forscher führten cAMP-Akkumulationstests durch, um die Aktivität der manipulierten ORs als Reaktion auf bestimmte Geruchsstoffe zu testen. Dieser Test misst die Produktion von zyklischem AMP (cAMP), einem Molekül, das an der Signaltransduktion beteiligt ist.
Ein cAMP-Assay verwendet typischerweise eine Lumineszenzreaktion, die während der Bindungsstellenaktivität schwächer wird, was den Forschern eine visuelle Bestätigung und ein quantitatives Maß für die Rezeptoraktivierung liefert, wenn Geruchsstoffe mit den manipulierten ORs interagieren.
Durch den Vergleich der Reaktionen der manipulierten ORs auf verschiedene Geruchsstoffe zeigte die Studie unterschiedliche Arten der Geruchsstoffbindung und Aktivierungsmechanismen zwischen ORs der Klassen I und II auf.
Der neuartige Ansatz der Methode überwindet die größte Hürde, die Forscher bei der Entdeckung der molekularen Erkennung von Geruchsstoffen durch die OR-Superfamilie hatten. Diese Bemühungen werden die zukünftige Forschung darüber, wie das olfaktorische System eine Vielzahl von Geruchsstoffen erkennt und unterscheidet, erheblich voranbringen.
Weitere Informationen:
Claire A. de March et al.: Konstruierte Geruchsrezeptoren beleuchten die Grundlage der Geruchsunterscheidung. Natur (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-08126-0
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