我們的嗅覺似乎是最複雜的，因此它也是最不為人所知的。為了幫助闡明該系統的一些情況，洛克菲勒大學的研究人員在昆蟲的簡單系統中首次拍攝了嗅覺受體工作的低溫電子顯微鏡圖像。感受器是幫助我們通過五種感官了解我們周圍世界的關鍵結構。
皮膚上有觸摸感受器，視網膜上有光感受器，舌頭上有味覺感受器，內耳有聲覺感受器，鼻子有嗅覺感受器。它們都對不同的刺激作出反應，打開離子通道，將信號傳遞給大腦，以解釋我們正在經歷的事情。
但嗅覺受體是所有受體中最神秘的。雖然我們只需要在眼睛里有三種類型的受體就可以觀察事物，在耳朵里有六種類型的受體來聆聽聲音，但嗅覺卻需要超過400種受體–甚至這些受體也要承擔雙重任務來檢測數百萬種不同的氣味分子。像咖啡或玫瑰這樣的特定氣味是由數百種化學成分組成的，它們刺激不同排列的受體，這種精確的激活模式有助於大腦解碼它到底聞到了什麼。
嗅覺受體在未激活狀態（藍色）和被氣味分子激活（粉紅色）時的圖示。當被激活時，中心的一個離子通道會擴張，向大腦發送一個信息，即該受體已被激活。
“嗅覺系統要識別大量的分子，而氣味受體只有幾百個甚至更少，”該研究的通訊作者Vanessa Ruta說。”很明顯，它不得不進化出一種與其他感官系統不同的邏輯”。
因此，在這項新的研究中，該團隊開始研究這種複雜的邏輯。他們想要回答的主要問題是一個單一的受體如何能夠識別不同的化學物質，儘管這些分子具有不同的尺寸和形狀。
為了找到答案，他們使用了一種叫做低溫電子顯微鏡的技術，其中包括向冷凍樣品發射一束電子，以產生其微小分子結構的三維圖像。這是在一種叫做跳躍鬃尾的昆蟲的嗅覺受體上進行的，這種昆蟲有一個相對簡單的氣味感應系統，只包含五種類型的受體。
在這些受體中，研究小組選擇了一種名為OR5的受體，它對他們測試的60%的氣味分子都有反應。然後他們研究了OR5受體的結構，當它單獨存在時，以及當它與兩種氣味分子之一結合時–丁香酚（或丁香油）和驅蟲劑避蚊胺DEET。
“我們從比較這三種結構中學到了很多東西，”Ruta說。”有趣的是，在未結合的結構中，孔是封閉的，但在它與丁香酚或DEET結合的結構中，孔已經擴張，為離子流動提供了一個通道。”
接下來，研究人員檢查了這些分子與受體結合的確切位置。儘管這兩種分子非常不同，但它們似乎在完全相同的位置結合，在受體的一個口袋裡。這實際上違背了兩個主要的假設–受體與分子的一個特定部分結合，而該部分可能是一大群氣味所共有的，或者受體使用不同的口袋來容納不同的分子。更奇怪的是，這些受體和分子對只是微弱地結合。
Ruta說：”這類非特異性的化學相互作用使不同的氣味劑被識別。以這種方式，受體對一個特定的化學特徵沒有選擇性。相反，它是在識彆氣味劑的更普遍的化學性質”。
該團隊說，這一觀察有助於解釋受體如何能夠與大片的氣味分子結合，但不是全部。這有助於較小數量的受體構建成一個能夠識別數百萬種不同化學物質的嗅覺系統。
他們還發現，只需要結合點的氨基酸發生一次突變就能改變哪些分子會被粘住。這反過來可以解釋為什麼在昆蟲中進化出這麼多種類的氣味受體。該小組總結說，這背後的一般原則可能也發生在其他動物身上，包括人類。