據外媒報道，所有的感官都必須考慮世界的豐富性，但沒有什麼能比得上作為嗅覺基礎的嗅覺系統所面臨的挑戰。我們的眼睛只需要三個感受器就能感知彩虹的所有顏色–這是因為不同的顏色以光波的形式出現，而光波的頻率只是在一個維度上變化。
然而，跟化學世界的複雜性相比，這個充滿活力的多彩世界就顯得蒼白了。化學世界有着數百萬種氣味，每一種氣味都由數百個分子組成，所有的分子在形狀、大小和性質上都有很大的不同。比如咖啡的氣味是由200多種化學成分組合而成，每一種成分在結構上都不同並且沒有一種化學成分本身聞起來像咖啡。
洛克菲勒神經科學家Vanessa Ruta說道：“嗅覺系統只能通過幾百個甚至更少的氣味受體來識別大量的分子。很明顯，它必須進化出一種與其他感官系統不同的邏輯。”
在一項新研究中，Ruta和她的同事首次提供了嗅覺受體工作的分子視圖從而為氣味識別這個存在了幾十年的問題提供了答案。
發表在《自然》上的這項研究表明，嗅覺受體確實遵循了神經系統中其他受體很少見到的邏輯。雖然大多數感受器被精確地塑造成只跟少數選定的分子配對，但大多數嗅覺感受器每個都跟大量不同的分子結合。它們跟各種各樣的氣味混雜在一起，這使得每個受體能對多種化學成分做出反應。從那裡，大腦可以通過考慮受體組合的激活模式來識彆氣味。
整體識別
嗅覺感受器是30年前發現的。但科學家們還無法近距離觀察它們並破譯它們的結構和機制工作，部分原因是這些受體不適合使用常用的分子成像方法。更複雜的是，受體的偏好似乎沒有規律或理由–單個氣味受體可以對結構和化學上都不同的化合物作出反應。
“為了對氣味識別有一個基本的了解，我們需要知道一個受體是如何識別多種不同的化學物質的，這是嗅覺系統如何工作的一個關鍵特徵，一直是個謎，”Ruta實驗室的博士后Josefina del Mármol說道。
因此，Ruta和del Mármol及實驗室的研究助理Mackenzie Yedlin開始利用低溫電子顯微鏡的最新進展來研究氣味受體的結構。這項包括對冷凍標本發射電子的技術可以揭示三維極小的分子結構–甚至它們的單個原子。
研究小組將注意力轉向了石蛃身上。石蛃是一種生活在地面的昆蟲，其基因組最近已被測序，只有五種嗅覺受體。儘管石蛃的嗅覺系統非常簡單，但它的受體屬於一個受體大家族，據認為在數十萬種不同的昆蟲中存在着數千萬種變異。儘管這些受體種類繁多，但它們的功能是相同的：它們形成了一個離子通道–一個帶電粒子流動的孔–只有當受體遇到目標氣味物時才會打開並最終激活啟動嗅覺的感覺細胞。
研究人員選擇了OR5，這是一種來自石蛃的受體，它具有廣泛的識別能力且對研究人員測試的60%的小分子做出反應。
然後，他們單獨檢查了OR5的結構並跟一種化學物質–要麼是丁香酚（一種常見的氣味分子）要麼是避蚊胺（一種驅蟲劑）結合。“我們從比較這三種結構中學到了很多，”Ruta表示，“你可以看到的一件美麗的事情是，在未結合的結構中，孔隙是封閉的，但在跟丁香酚或DEET結合的結構中，孔隙擴張了並為離子流動提供了一條通道。”
有了這些結構，研究小組進一步觀察了這兩種化學上不同的分子在哪裡以及如何跟受體結合。關於氣味感受器跟分子的相互作用存在兩種觀點：一種是，受體已經進化到通過對分子的部分但決定性的特徵做出反應，如分子的一部分形狀來區分大片的分子；其他研究人員則提出，每個受體在其表面同時包裹多個口袋，它們允許其容納下許多不同的分子。
但Ruta發現的情況不符合上述兩種情況。結果表明，避蚊胺和丁香酚都在同一個位置結合，它們完全可以放在受體的一個簡單口袋裡。令人驚訝的是，口袋裡的氨基酸並沒有跟氣味形成強而有選擇性的化學鍵，而是弱化學鍵。在大多數其他系統中，受體和它們的目標分子是很好的化學配對，而在這裡，它們看起來更像是友好的熟人。“這些非特定的化學反應讓不同的氣味被識別出來，”Ruta說道，“這樣，受體就不會對特定的化學特徵有選擇性。相反，它是識彆氣味的更普遍的化學性質。”
正如計算模型所揭示的那樣，同一個口袋可以以同樣的方式容納下許多其他氣味分子。
不過Ruta指出，這種受體的混亂並不意味着它沒有特異性。雖然每個受體對大量的分子都有反應，但對其他分子卻不敏感。此外，結合位點上的氨基酸的一個簡單突變將廣泛地重新配置受體並改變其更喜歡與之結合的分子。后一項發現還有助於解釋昆蟲是如何進化出數百萬種氣味受體以適應它們所遇到的各種生活方式和棲息地。
Ruta表示，這些發現可能代表了許多嗅覺感受器。“它們指出了氣味識別的關鍵原則，不僅在昆蟲的感受器中也在我們鼻子中的感受器中，這些感受器也必須探測和區分豐富的化學世界。”