Вибрационная теория обоняния

В 1928 году Дайсон предположил, что органы обоняния могут каким-то образом улавливать молекулярные колебания. Если весь диапазон колебаний до 4000 см "1  был бы обнаружен, как в  рамановский или инфракрасный спектроскоп, обнаружение функциональных групп было бы объяснимо, поскольку многие из них имеют характерные колебательные сигнатуры, обычно выше 1000 см "1.

Эта теория была модифицирована в серии статей Райта и соавторов, которые утверждали, что поскольку об оптических средствах не может быть и речи, обнаружение молекулярных колебаний должно быть обязательно механическим и, следовательно, обнаружить можно только колебательные моды, возбуждаемые при температуре тела.

Это означало, что диапазон обнаруживаемых колебаний должен лежать ниже ~2 кТ, или 500 см "1. Корреляции между спектром и запахом в этом диапазоне были зарегистрированы, но они были достигнуты путем отбрасывания несоответствующих пиков как "аносмических" и добавлением некоторых на вычисленных "разностных" частот. В любом случае, всегда было ясно, что область ниже 500 см "1  не может определять запах (Klopping 1971): многие неорганические многие неорганические молекулы с сильными, характерными запахами, такие как NH3, H2S,O3 и HCN, колеблются только в диапазоне 700-3500 см "1.  Кроме того, основная идея колебательной спектроскопии никогда не могла объяснить различия в запахах энантиомеров.

И наконец, так и не был найден правдоподобный механизм, с помощью которого биологическая система могла бы проводить колебательную спектроскопию с помощью механическими средствами. В результате вибрационная теория утратила свою популярность^[2].

Лука Турин обратил внимание на забытую теорию Малкольма Дайсона и стал продвигать его совместно с исследовательскими группами, с которыми работал.

Первой проблемой было найти правдоподобный механизм, но теперь Лука убежден, что решением может стать комбинация неупругого электронного туннелирования и квантовой механики. С тех пор, как Лука опубликовал свою первую статью по теории в 1990-х годах, было проведено несколько экспериментов и исследований, а довольно многообещающие результаты последних экспериментов на медоносных пчелах были опубликованы вскоре после его лондонской лекции в марте 2016 года^[4].

Описана новая теория первичной обонятельной рецепции. Она предполагает, что обонятельные рецепторы реагируют не на форму молекул, а на их колебания. Теория Турина отличается от предыдущих вибрационных теорий (Дайсон, Райт) тем, что предлагает детальный и правдоподобный механизм биологической передачи молекулярных колебаний: неупругое туннелирование электронов. Элементы туннельного спектроскопа идентифицированы в предполагаемых обонятельных рецепторах и связанных с ними G-белках. Описаны способы расчета спектров электронного туннелирования молекул одорантов. Приведено несколько примеров корреляции между спектром туннелирования и запахом в структурно несвязанных молекулах.

Как и предсказывалось, молекулы очень похожей формы, но отличающиеся по колебаниям, пахнут по-разному. Наиболее ярким примером является пример с чистым ацетофенона и его полностью дейтерированного аналога ацетофенона-ds, которые пахнут по-разному, несмотря на идентичную структуру. Этот факт, по-видимому, не может быть объяснен с помощью структурных теорий запаха. Представленные здесь данные позволяют предположить, что обоняние, как и цветовое зрение и слух, является спектральным чувством. Chem. Senses 21: 773-791, 1996^[5].

Экспериментальные тесты, опубликованные Келлером и Восшаллом в журнале Nature Neuroscience в 2004 году, подтвердили предположения Турина только частично. Исследование сопровождалось редакционной статьей, в которой работа Келлера и Восшалла рассматривалась как «опровержение теории, которая, хотя и провокационна, но почти не пользуется доверием в научных кругах». В ней также говорилось:

«Единственной причиной, по которой авторы провели исследование, а журнал Nature Neuroscience опубликовал его, является чрезвычайная – и неуместная – степень огласки, которую теория получила от некритичных журналистов»^[6].

Три предположения Луки Турина о природе запаха, основанные на концепциях теории вибрации, были подтверждены экспериментальными тестами^[7]. Исследование не подтвердило предсказание о том, что изотопы должны пахнуть по-разному: неподготовленные люди не смогли отличить ацетофенон от его дейтерированного аналога^{[8] [9] [10]}. Это исследование также указало на недостатки экспериментального дизайна в более раннем исследовании Хаффендена^[11]. Кроме того, описание Турином запаха длинноцепочечных альдегидов как поочередно (1) преимущественно воскового и слегка цитрусового и (2) преимущественно цитрусового и слегка воскового, не было подтверждено тестами на неподготовленных испытуемых, несмотря на неофициальную поддержку со стороны профессионалов парфюмерной индустрии, которые работают регулярно с этими материалами. Воссхалл и Келлер также представили испытуемым смесь гваякола и бензальдегида, чтобы проверить теорию Турина о том, что смесь должна пахнуть ванилином. Данные Восшалла и Келлера не подтвердили предсказание Турина. Однако Восшалл утверждает, что эти испытания не опровергают теорию вибрации^[12].

Журнал также опубликовал рецензию на книгу Чендлера Берра о Турине и его теории «Император ароматов», назвав её «головокружительной и преувеличенной»^[13].

Теория вибрации получила возможную поддержку в статье Такане и Митчелла, опубликованной в 2004 году в журнале Organic Biomolecular Chemistry, которая показывает, что описания запахов в литературе по обонянию сильнее коррелируют с частотой вибрации, чем с формой молекул^[14].

То, что предположения Турина жизнеспособно с точки зрения физики также показали испытания, проведенные в 2007 году^[15]. Биофизические симуляции, опубликованные в журнале Physical Review Letters^[16], что рыбы и насекомые способны различать изотопы по запаху^[17].

В 2011 году Турин и его коллеги опубликовали в PNAS статью, показывающую, что плодовые мухи дрозофилы могут различать запахи и их дейтерированные аналоги. Тесты на дрозофиле отличаются от экспериментов на людях тем, что в них используются животные, обладающие хорошим обонянием и свободные от психологических предубеждений, которые могут усложнить тесты на людях^[18].

Дрозофила была обучена избегать использования дейтерированного одоранта в паре дейтерированный/нормальный, что указывает на разницу в запахе. Более того, дрозофила, обученная избегать одного дейтерированного запаха, также избегала других дейтерированных запахов, химически несвязанных, что указывает на то, что сама дейтерированная связь имела отчетливый запах. Авторы определили частоту колебаний, которая могла быть за это ответственной, и обнаружили, что она близка к частоте, обнаруженной в нитрилах. Когда мухи, обученные избегать дейтерированных одорантов, подвергались воздействию нитрила и его ненитрилового аналога, они также избегали нитрила, что согласуется с теорией, согласно которой обоняние мух обнаруживает молекулярные вибрации^[19].

В ответ на исследование мух, проведенное PNAS в 2011 году, Восшалл признал, что мухи могут чувствовать запах изотопов, но назвал вывод о том, что запах основан на вибрациях, «чрезмерной интерпретацией» и выразил скептицизм по поводу использования мух для проверки механизма, первоначально приписываемого человеческим рецепторам^[20]. По словам Восшалла, для подтверждения теории необходимы дальнейшие исследования рецепторов млекопитающих^[21]. Билл Ханссон, специалист по обонянию насекомых, поднял вопрос о том, может ли дейтерий влиять на водородные связи между одорантом и рецептором^[22].

В 2013 году Турин и его коллеги Турин и его коллеги повторили более ранние результаты Восшалла и Келлера, подтвердившие, что даже обученные люди не могут надежно отличить ацетофенон от его дейтерированного аналога с 8 атомами водорода, а начинают обнаруживать изотопный запах мускуса только с 14 дейтерия, или 50% дейтерирования^[23]. Результаты исследования были опубликованы в PLoS ONE. В то же время Турин и его коллеги сообщили, что люди-добровольцы смогли отличить циклопентадеканон от его полностью дейтерированного аналога. Различные результаты, наблюдаемые с ацетофеноном и циклопентадеканоном, Турин и его коллеги объяснили тем, что «должно быть много связей CH, прежде чем их можно будет обнаружить по запаху. В отличие от ацетофенона, который содержит только 8 атомов водорода, циклопентадеканон имеет 28. Это приводит к более чем 8 атомам водорода. В 3 раза больше колебательных мод с участием водорода, чем в ацетофеноне, и это, вероятно, важно для обнаружения разницы между изотопомерами»^{[24] [25]}. Поскольку предложенный Турином механизм представляет собой биологический метод неупругой электронной туннельной спектроскопии, в котором используется квантовый эффект, его теория механизма обоняния была описана как пример квантовой биологии^[26].

Воссхалл, комментируя работу Турина, отмечает, что:

«обонятельные мембраны нагружены ферментами, которые могут метаболизировать одоранты, изменяя их химическую идентичность и воспринимаемый запах. Дейтерированные молекулы были бы плохими субстратами для таких ферментов, что приводило бы к химическим различиям в том, что испытуемые В конечном счете, любая попытка доказать вибрационную теорию обоняния должна концентрироваться на реальных механизмах на уровне рецептора, а не на косвенном психофизическом тестировании»^[27].

Ричард Аксель, один из лауреатов Нобелевской премии по физиологии 2004 года за работу по обонянию, выразил аналогичное мнение, указавя, что

«работа Турина не разрешит спор – только микроскопическое исследование рецепторов в носу наконец покажет что происходит. Пока кто-то действительно не сядет и серьезно не обратится к механизму, а не к выводам из механизма... использование поведенческих реакций в качестве аргумента не кажется полезным»^[28].

В ответ на статью Турина о циклопентадеканоне ^{[29] [30]} ученые во главе с Блоком в статье 2015 года в PNAS ^[31] сообщили, что человеческий рецептор, распознающий мускус OR5AN1, идентифицированный с использованием гетерологичной системы экспрессии обонятельных рецепторов и устойчиво реагирующий на циклопентадеканон и мускон (который имеет 30 атомов водорода), не может различать изотопомеры этих соединений в пробирке. Кроме того, мышиный (метилтио)метантиол-распознающий рецептор MOR244-3, а также другие выбранные обонятельные рецепторы человека и мыши, реагировали сходным образом на нормальные дейтерированные изотопомеры и изотопомеры углерода-13 их соответствующих лигандов, что соответствует результатам, полученным с рецептором мускуса OR5AN1. На основании этих результатов авторы приходят к выводу, что предложенная вибрационная теория обоняния не применима к мускусному рецептору человека OR5AN1, тиоловому рецептору мыши MOR244-3 или другим исследованным обонятельным рецепторам. Теоретический анализ авторов показывает, что предложенный механизм электронного переноса колебательных частот одорантов может быть легко подавлен квантовыми эффектами неодорантных молекулярных колебательных мод.

Авторы заключают: «Эти и другие опасения по поводу переноса электронов на обонятельных рецепторах вместе с нашими обширными экспериментальными данными свидетельствуют против правдоподобности теории вибрации».

Комментируя эту работу, Восшалл пишет:

«В PNAS Блок и др… перенесли дискуссию о «форме против вибрации» с обонятельной психофизики на биофизику самих ОР. Авторы проводят сложную междисциплинарную атаку на центральные принципы теории вибрации обоняния с использованием синтетической органической химии, гетерологичной экспрессии обонятельных рецепторов и теоретических соображений, не позволяющих найти никаких доказательств в поддержку вибрационной теории запаха»^[32].

Лука Турин, в свою очередь, говорит, что

«Блок использовал клетки в чашке, а не внутри целых организмов», и что «экспрессия обонятельного рецептора в клетках эмбриональных почек человека не восстанавливает адекватно сложную природу обоняния ...», Восшалл отвечает: «Эмбриональные клетки почек не идентичны клеткам носа… но если вы посмотрите на рецепторы, это лучшая система в мире»^[33].

В письме редактору PNAS Турин и его коллеги ^[34] высказывают обеспокоенность по поводу доказательств Блока^[31]. На что Блок с командой отвечает на них^[35]:

Недавнее исследование описывает реакцию первичных обонятельных нейронов в тканевой культуре на изотопы и обнаруживает, что небольшая часть населения (<1%) четко различает изотопы, а некоторые даже дают ответ «все или ничего» на изотопы^[36]. H или D изотопомеры октаналя. Авторы связывают это с «гиперчувствительностью» некоторых рецепторов к различиям в гидрофобности нормальных и дейтерированных одорантов.

Недавно Сабери и Аллаи предположили, что существует функциональная связь между молекулярным объемом и реакцией обонятельных нейронов. Молекулярный объем является важным фактором, но это не единственный фактор, определяющий реакцию ONR. На сродство связывания пары одорант-рецептор влияют их относительные размеры. Максимальное сродство может быть достигнуто, когда молекулярный объем одоранта соответствует объему связывающего кармана^[37]. Недавнее исследование ^[38] описывает реакцию первичных обонятельных нейронов в тканевой культуре на изотопы и обнаруживает, что небольшая часть населения (<1%) четко различает изотопы, а некоторые даже дают ответ «все или ничего» на изотопы. H или D изотопологи октаналя. Авторы связывают это с различиями в гидрофобности между нормальными и дейтерированными одорантами.