研究人員最近終於弄清楚了我們的鼻子是如何捕捉氣味的。 無論是花香、甜香草、香菸煙霧還是汽油的刺鼻氣味，這一切都始於微小的氣味分子連線到我們鼻子中的受體。 這些聯絡創造了我們對氣味的好噁或容忍度。 長期以來，科學家們一直渴望確切地了解我們的嗅覺受體如何捕獲這些氣味分子並以精確的方式對它們做出反應。 但直到最近，人們還很難看到人類的嗅覺受體是如何工作的。
在發表在《自然》雜誌上的一篇新文章中，一組科學家終於揭示了嗅覺受體隱藏的3D形狀，同時還揭示了瑞士乳酪和體味中發現的特定物質是如何被捕獲的。 英國赫特福德大學（University of Hertfordshire）氣味研究化學資訊學專家麥可·施穆克（Michael Schmuck）強調了圍繞這些氣味受體的實際結構存在的長期謎團。 雖然Schmuck本人沒有參與這項研究，但他認為這是乙個重大突破。
嗅覺專家認為，他們在理解鼻子和大腦如何協同工作以解釋氣味、發出變質食物訊號、觸發童年記憶、幫助尋找伴侶以及發揮其他重要作用方面取得了進展。 對於研究人員來說，了解複雜化學物質從鼻子傳遞到大腦的過程可能具有挑戰性。 研究人員估計，人類鼻子含有大約400個嗅覺受體，可以檢測各種稱為“揮發物”的氣味物質，這些分子很容易變成蒸氣，從三原子臭硫化氫到麝香狀化合物。 根據一些估計，可能有大約400億或更多的潛在氣味。
杜克大學的嗅覺專家、最新研究的貢獻者Hiroakimatsunami發現了我們如何識別和區分各種氣味物質。 嗅覺受體位於鼻神經元的表面，當它們捕獲氣味分子時會改變形狀。 這種變化觸發這些神經元向大腦中負責處理氣味的區域傳送訊號。 科學家們一直希望能夠準確地觀察這種受體和氣味分子之間的相互作用，以詳細了解其展開過程。
2021 年，一項研究揭示了昆蟲聞到氣味的機制：洛克菲勒大學的科學家揭示了特定昆蟲的嗅覺受體結構以及它如何識別具有不同化學成分的分子。 然而，這一發現並沒有為人類嗅覺提供重要的見解，因為昆蟲的嗅覺受體與我們的嗅覺系統完全不同。 人類嗅覺受體是一組稱為 G 蛋白偶聯受體 （GPCR） 的蛋白質的一部分。 這些蛋白質位於細胞膜內，通過感知從光到激素的各種刺激，在許多生物學功能中發揮作用。
在過去的二十年裡，科學家們揭示了許多G蛋白偶聯受體（GPCRs）的複雜結構，但嗅覺受體的結構尚未被發現。 為了研究這些受體，研究人員需要在實驗室培養的細胞中重建它們。 然而，當嗅覺受體在實驗室的鼻神經元中培養時，它們往往無法正常成熟。 為了克服這一障礙，松波實驗室的Hiroaki Matsunami和Clairedemarch著手研究從遺傳學角度修飾嗅覺受體的方法。 他們的目標是使這些受體更穩定，更容易在不同型別的細胞中生長。 他們與加州大學三藩市分校的生物化學家AashishManglik和Manglik團隊的高階科學家Christian Billesb Lle合作。
隨著研究小組繼續他們的工作，他們決定再次嘗試提取天然受體，儘管它預計會失敗。 Aashishmanglik 回憶說，他們意識到這種方法可能會失敗，但他們認為仍然值得一試。 為了增加成功的機會，他們選擇了一種氣味受體OR51E2，它不僅存在於鼻子中，還存在於腸道、腎臟和前列腺等多個器官中。 Christianbillesb LLE的全心全意得到了回報，使他們能夠獲得足夠的OR51E2用於他們的研究。 然後，他們將受體暴露於一種已知的氣味分子：丙酸鹽，一種通過發酵產生的短鏈脂肪酸。
為了獲得丙酸受體的詳細圖片，研究人員採用了冷凍電子顯微鏡，這是一種先進的成像方法，可以快速拍攝冷凍蛋白質樣品的照片。 他們的研究發現，在這些分子的結合構象中，OR51E2將丙酸包裹在乙個小口袋中。 當它們擴大這個口袋時，受體對丙酸和另乙個小分子的敏感性降低，而丙酸和另乙個小分子通常會啟用受體。 通過調整受體的結構，它更傾向於與更大的氣味分子結合，從而通過該口袋的大小和化學性質來驗證受體的校準，以檢測有限範圍的分子。
通過詳細分析，發現受體表面有乙個小而靈活的環狀結構，就像乙個蓋子，一旦氣味分子被困在裡面，它就會密封袋子。 Aashishmanglik認為，這種靈活的結構可能在我們檢測各種化合物的能力中發揮作用。 此外，關於OR51E2可能還有更多發現。 雖然這項研究主要集中在含有丙酸鹽的口袋上，但研究人員認為，丙酸鹽受體可能具有額外的結合位點，這些結合位點可以與鼻腔以外的組織中遇到的不同氣味或化學訊號相互作用。
貝克曼研究所（Beckman Institute）的計算化學家Nagara Janvaidehi強調，儘管顯微鏡顯示出固定的結構，但這些受體實際上是在不斷運動。 她的團隊使用計算機模擬來視覺化OR51E2如何在不凍結的情況下移動。 對於現在在法國國家科學研究中心工作的克萊爾·德·馬奇（Claire de March）來說，OR51E2的成果已經將多年的理論變成了現實。 在專注於氣味受體的理論模型之後，她說這些新發現提供了她在職業生涯中一直在尋找的答案。 這是她第一次具體解決之前猜測的所有問題。
根據Matsunami的研究，其他類似於OR51E2的人類嗅覺受體可能以類似的方式起作用。 對於研究人員來說，確定嗅覺功能的結構是理解控制我們嗅覺的基本原理的重要一步。 然而，還有很多東西有待發現。 科學家們對哪些分子啟用了大約四分之一的人類嗅覺受體只有乙個模糊的概念。 蒙乃爾化學感官中心的嗅覺神經科學家喬爾·內特（Joel Nett）沒有參與這項研究，他認為擁有更多像OR51E2這樣的結構可以幫助解開嗅覺的生物學奧秘。 隨著我們對大腦如何編碼氣味有了更深入的了解，我們希望建立可靠的模型，說明哪些氣味與特定受體結合。
了解受體如何選擇特定的氣味只是揭示氣味奧秘的一部分。 沒有參與這項研究的嗅覺神經科學家馬特·瓦喬維亞克（Matt Wachowiak）指出，理解嗅覺需要解碼大腦如何將來自這些受體的訊號轉化為感知。 事實上，我們遇到的大多數氣味都來自化學物質的混合物。 Wachowiak強調了這一挑戰：無論在何種情況下，我們都需要快速識別和區分這些模式。 真正的挑戰是了解我們的大腦是如何完成這一壯舉的。
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