blogtsk
Nghiên cứu mới đưa ra câu trả lời cho câu hỏi hàng thập kỷ về nhận dạng mùi bằng cách cung cấp những quan điểm phân tử đầu tiên về một thụ thể khứu giác đang hoạt động.
Tất cả các giác quan đều phải tính đến sự phong phú của thế giới, nhưng không có gì phù hợp với thách thức mà hệ thống khứu giác làm cơ sở cho khứu giác của chúng ta phải đối mặt.
“Hệ thống khứu giác phải nhận ra một số lượng lớn các phân tử với chỉ vài trăm cơ quan cảm nhận mùi hoặc thậm chí ít hơn.”
Chúng ta chỉ cần ba thụ thể trong mắt để cảm nhận tất cả các màu sắc của cầu vồng — đó là bởi vì các màu sắc khác nhau xuất hiện dưới dạng sóng ánh sáng chỉ khác nhau về một chiều, tần số của chúng. Tuy nhiên, thế giới đầy màu sắc rực rỡ lại nhạt nhẽo so với sự phức tạp của thế giới hóa học, với hàng triệu mùi, mỗi gồm hàng trăm phân tử, tất cả đều khác nhau rất nhiều về hình dạng, kích thước và tính chất.
Ví dụ, mùi cà phê xuất hiện từ sự kết hợp của hơn 200 thành phần hóa học, mỗi thành phần đều đa dạng về cấu trúc và không có thành phần nào thực sự có mùi giống như mùi cà phê.
Nhà khoa học thần kinh Vanessa Ruta của Đại học Rockefeller cho biết: “Hệ thống khứu giác phải nhận ra một số lượng lớn các phân tử với chỉ vài trăm thụ thể mùi hoặc thậm chí ít hơn. “Rõ ràng là nó phải phát triển một loại logic khác với các hệ thống giác quan khác.”
Trong một nghiên cứu mới, Ruta và các đồng nghiệp của cô đã đưa ra câu trả lời cho câu hỏi hàng thập kỷ về mùi nhận dạng bằng cách cung cấp những quan điểm phân tử đầu tiên về một thụ thể khứu giác tại nơi làm việc.
Tìm hiểu cách hoạt động của các thụ thể mùi
Các phát hiện trên tạp chí Nature tiết lộ rằng các thụ thể khứu giác thực sự tuân theo một logic hiếm thấy ở các thụ thể khác của hệ thần kinh.
Trong khi hầu hết các thụ thể được định hình chính xác để chỉ bắt cặp với một số phân tử được chọn theo kiểu khóa và chìa khóa, hầu hết các thụ thể khứu giác đều liên kết với một số lượng lớn các phân tử khác nhau. Tính đặc biệt của chúng trong việc kết hợp với nhiều loại mùi cho phép mỗi thụ thể phản ứng với nhiều thành phần hóa học. Từ đó, não có thể tìm ra mùi bằng cách xem xét mô hình hoạt hóa của sự kết hợp các thụ thể.
Các thụ thể khứu giác được phát hiện cách đây 30 năm. Nhưng các nhà khoa học đã không thể nhìn thấy chúng cận cảnh và giải mã các hoạt động cấu trúc và cơ học của chúng, một phần vì các thụ thể này không phù hợp với các phương pháp hình ảnh phân tử thông thường. Vấn đề phức tạp hơn, dường như không có vần điệu hay lý do gì cho sở thích của các thụ thể – một thụ thể mùi riêng lẻ có thể phản ứng với các hợp chất khác nhau về cấu trúc và hóa học.
“Để hình thành hiểu biết cơ bản về nhận dạng chất tạo mùi, chúng ta cần biết cách một thụ thể duy nhất có thể nhận ra nhiều loại hóa chất khác nhau, đây là đặc điểm chính Josefina del Mármol, một postdoc của Ruta’s, cho biết: về cách hệ thống khứu giác hoạt động và là một bí ẩn. phòng thí nghiệm.
Vì vậy, Ruta và del Mármol, cùng với Mackenzie Yedlin, một trợ lý nghiên cứu trong phòng thí nghiệm, đã tìm cách giải quyết cấu trúc của thụ thể mùi bằng cách tận dụng những tiến bộ gần đây trong kính hiển vi điện tử lạnh. Kỹ thuật này, liên quan đến việc chiếu tia điện tử vào một mẫu vật đông lạnh, có thể tiết lộ các cấu trúc phân tử cực nhỏ trong không gian 3D, cho đến các nguyên tử riêng lẻ của chúng.
Thông tin chi tiết về côn trùng
Nhóm nghiên cứu đã chuyển sang loài bọ hung nhảy, một loài côn trùng sống trên mặt đất có bộ gen của chúng đã được giải trình tự gần đây và chỉ có năm loại thụ thể khứu giác. Mặc dù hệ thống khứu giác của cá đuôi ngựa nhảy rất đơn giản, nhưng các thụ thể của nó thuộc một họ lớn các thụ thể với hàng chục triệu biến thể được cho là tồn tại ở hàng trăm nghìn loài côn trùng khác nhau.
Các thụ thể khứu giác ban đầu của bộ lông nhảy được cho là một trong những phiên bản cổ xưa nhất tiến hóa nhất của các thụ thể khứu giác ở côn trùng. (Tín dụng: Katja Schulz)
Mặc dù sự đa dạng của họ, những thụ thể hoạt động theo cùng một cách: Chúng tạo thành một ion kênh một lỗ thông qua đó hạt mang điện tích chảy-mở ra chỉ khi các thụ thể gặp mùi mục tiêu của nó, cuối cùng kích hoạt các tế bào giác quan mà bắt đầu cảm giác của mùi.
Các nhà nghiên cứu đã chọn OR5, một thụ thể từ lông vũ có khả năng nhận biết rộng, đáp ứng với 60% các phân tử nhỏ mà họ thử nghiệm.
Sau đó, họ kiểm tra cấu trúc của OR5 một mình và cũng liên kết với một hóa chất, hoặc eugenol, một phân tử mùi phổ biến, hoặc DEET, chất chống côn trùng.
Ruta nói: “Chúng tôi đã học được rất nhiều điều từ việc so sánh ba cấu trúc này. “Một trong những điều tuyệt vời mà bạn có thể thấy là trong cấu trúc không liên kết, lỗ chân lông được đóng lại, nhưng trong cấu trúc mà nó được liên kết với eugenol hoặc DEET, lỗ chân lông đã giãn ra và tạo ra một con đường cho các ion chảy qua.”
Lỗ chân lông (màu xanh) của cơ quan thụ cảm khứu giác giãn ra (màu hồng) khi phân tử mùi liên kết với cơ quan thụ cảm. (Tín dụng: Rockefeller)
Với các cấu trúc trong tay, nhóm nghiên cứu đã xem xét kỹ hơn để xem chính xác vị trí và cách thức hai phân tử khác nhau về mặt hóa học liên kết với thụ thể. Đã có hai ý kiến về sự tương tác của các thụ thể mùi với các phân tử. Một là các thụ thể đã phát triển để phân biệt các dải phân tử lớn bằng cách phản ứng với một phần nhưng đặc điểm xác định của phân tử, chẳng hạn như một phần hình dạng của nó. Các nhà nghiên cứu khác đã đề xuất rằng mỗi thụ thể đóng gói nhiều túi trên bề mặt của nó cùng một lúc, cho phép nó chứa một số phân tử khác nhau.
Nhưng những gì Ruta tìm thấy không phù hợp với những kịch bản đó.
Những phát hiện đáng ngạc nhiên
Hóa ra là cả DEET và eugenol đều liên kết tại cùng một vị trí và nằm hoàn toàn bên trong một túi đơn giản bên trong thụ thể. Và đáng ngạc nhiên là các axit amin lót trong túi không hình thành các liên kết hóa học mạnh mẽ, có chọn lọc với các chất tạo mùi, mà chỉ là các liên kết yếu. Trong khi ở hầu hết các hệ thống khác, các thụ thể và các phân tử mục tiêu của chúng là những kết hợp hóa học tốt, thì ở đây chúng có vẻ giống những người quen thân thiện hơn.
Ruta nói: “Những loại tương tác hóa học không đặc hiệu này cho phép nhận biết các chất tạo mùi khác nhau. “Bằng cách này, thụ thể không có tính chọn lọc đối với một đặc tính hóa học cụ thể. Thay vào đó, nó nhận ra bản chất hóa học chung hơn của chất tạo mùi, ”Ruta nói.
Và như mô hình tính toán đã tiết lộ, cùng một chiếc túi có thể chứa nhiều phân tử mùi khác theo cách tương tự.
Nhưng sự bừa bãi của thụ thể không có nghĩa là nó không có tính đặc hiệu, Ruta nói. Mặc dù mỗi thụ thể phản ứng với một số lượng lớn các phân tử, nhưng nó không nhạy cảm với những thụ thể khác. Hơn nữa, một đột biến đơn giản trong các axit amin của vị trí liên kết sẽ cấu hình lại rộng rãi thụ thể, thay đổi các phân tử mà nó thích liên kết.
Phát hiện thứ hai này cũng giúp giải thích bằng cách nào côn trùng có thể tiến hóa hàng triệu giống thụ thể mùi phù hợp với nhiều lối sống và môi trường sống mà chúng gặp phải.
Ruta nói rằng những phát hiện này có khả năng đại diện cho nhiều thụ thể khứu giác.
“Họ chỉ ra các nguyên tắc quan trọng trong việc nhận biết chất tạo mùi, không chỉ ở các cơ quan cảm thụ của côn trùng mà còn ở các cơ quan cảm thụ bên trong mũi của chúng ta cũng phải phát hiện và phân biệt thế giới hóa học phong phú.
Nguồn: Futurity
Sau hơn 20 năm giảng dạy “PHƯƠNG PHÁP LUẬN SÁNG TẠO và ĐỔI MỚI” tại Trung tâm Sáng tạo Khoa học–kỹ thuật (TSK) thuộc trường Khoa Học Tự Nhiên, khoá học thu được rất nhiều phản hồi tốt của học viên về các lợi ích nhận được. Nếu bạn có quan tâm đến khả năng sáng tạo, mong muốn cải thiện chất lượng cuộc sống, bộ công cụ của khoá học này sẽ thực sự hữu ích và ý nghĩa. Bạn có thể điền thông tin tại đây hoặc liên hệ số điện thoại: (028) 38 301 743; 089 668 36 31 để thực hiện đăng ký.
