.png)
يجب أن نعتبر كل الحواس ثراءً للعالم ، لكن لا شيء يضاهي التحدي الذي يواجهه نظام حاسة الشم الذي يكمن وراء حاسة الشم لدينا. نحتاج فقط إلى ثلاثة مستقبلات في أعيننا لاستشعار كل ألوان قوس قزح - وذلك لأن الأشكال المختلفة تظهر كموجات ضوئية تختلف عبر بُعد واحد فقط ، وهو ترددها.
ومع ذلك ، فإن عالم الألوان النابض بالحياة يتضاءل مقارنةً بتعقيد العالم الكيميائي ، بملايين الروائح ، كل منها يتكون من مئات الجزيئات ، وكلها تختلف اختلافًا كبيرًا في الشكل والحجم والخصائص. رائحة القهوة ، على سبيل المثال ، تنبثق من مزيج من أكثر من 200 مكون كيميائي ، كل منها متنوع هيكليًا ، ولا شيء منها يشبه رائحة القهوة بمفردها.
تقول فانيسا روتا ، عالمة الأعصاب في روكفلر: "يجب أن يتعرف نظام الشم على عدد كبير من الجزيئات, في الوقت الذي لا يحتوي هذا الجهاز إلا على بضع مئات من مستقبلات الرائحة أو حتى أقل". "من الواضح أنه كان عليها تطوير نوع مختلف من المنطق عن الأنظمة الحسية الأخرى."
في دراسة جديدة ، قدمت روتا وزملاؤها إجابات على سؤال دام عقودًا بشأن التعرف على الرائحة من خلال تقديم أول آراء على الإطلاق , بما يخص الجزيئيات , للعمل في عالم الشم .
كشفت النتائج ، التي نُشرت في دورية Nature ، أن المستقبلات الشمية تتبع بالفعل منطقًا نادرًا ما يُرى في المستقبلات الأخرى للجهاز العصبي. في حين أن معظم المستقبلات تتشكل بدقة لتتزاوج مع عدد قليل فقط من الجزيئات المختارة بطريقة القفل والمفتاح ، فإن معظم المستقبلات الشمية ترتبط بعدد كبير من الجزيئات المختلفة . إن اختلاطهم في الاقتران مع مجموعة متنوعة من الروائح يسمح لكل مستقبل بالاستجابة للعديد من المكونات الكيميائية. من هناك ، يمكن للدماغ اكتشاف الرائحة من خلال النظر في نمط تنشيط مجموعات المستقبلات .
التعرّف الشامل
تم اكتشاف مستقبلات الشم منذ 30 عامًا. لكن العلماء لم يتمكنوا من رؤيتها عن قرب وفك رموز عملها البنيوي والميكانيكي ، ويرجع ذلك جزئيًا إلى أن هذه المستقبلات لم تصلح لطرق التصوير الجزيئي المتاحة بشكل شائع. ومما يزيد الأمر تعقيدًا ، أنه لا يبدو أن هناك قاعدة أو سببًا لتفضيلات المستقبلات - يمكن لمستقبلات الرائحة الفردية أن تستجيب لمركبات مختلفة بنيويًا وكيميائيًا.
تقول جوزيفينا ديل مارمول ، باحثة ما بعد الدكتوراة في المختبرات مع روتا: "لتكوين فهم أساسي للتعرف على الرائحة ، نحتاج إلى معرفة كيف يمكن لمستقبل واحد التعرف على العديد من المواد الكيميائية المختلفة ، وهي سمة رئيسية لكيفية عمل نظام حاسة الشم وقد كانت لغزًا".
لذا ، شرعت روتا وديل مارمول ، جنبًا إلى جنب مع ماكنزي يدلين ، مساعد باحث في المختبر ، في حل بنية مستقبلات الرائحة بالاستفادة من التطورات الحديثة في مجهر الإلكترون بالتبريد . يمكن لهذه التقنية ، التي تتضمن إشعاع الإلكترونات في عينة مجمدة ، أن تكشف عن تراكيب جزيئية صغيرة للغاية في صورة ثلاثية الأبعاد ، وصولاً إلى ذراتها الفردية.
توجه الفريق إلى الحشرة ذات الذيل الخشن القافز ، وهي حشرة تعيش على الأرض تم معرفة تسلسل جينومها مؤخرًا ولديها خمسة أنواع فقط من المستقبلات الشمية . على الرغم من أن نظام حاسة الشم لهذه الحشرة بسيط ، إلا أن مستقبلاته تنتمي إلى عائلة كبيرة من المستقبلات مع عشرات الملايين من المتغيرات التي يُعتقد أنها موجودة في مئات الآلاف من أنواع الحشرات المختلفة. على الرغم من تنوعها ، فإن هذه المستقبلات تعمل بالطريقة نفسها: فهي تشكل قناة أيونية - مسام تتدفق من خلالها الجسيمات المشحونة - لا تفتح إلا عندما يصادف المستقبِل الرائحة المستهدفة ، وينشّط في النهاية الخلايا الحسية التي تُطلق حاسة الشم .
اختار الباحثون OR5 ، وهو مستقبل من حشرة الذيل الخشن القافز مع قدرة تمييز واسعة ، يستجيب لـ 60 في المائة من الجزيئات الصغيرة التي اختبروها.
ثم قاموا بفحص بنية OR5 وحدها وربطوا أيضًا بمادة كيميائية ، إما الأوجينول ، وهو جزيء الرائحة الشائع ، أو DEET ، طارد الحشرات . تقول روتا: "لقد تعلمنا الكثير من مقارنة هذه الهياكل الثلاثة". "أحد الأشياء الجميلة التي يمكنك رؤيتها هو أنه في الهيكل غير المرتبط ( أي عندما لا يكون ال ORS مرتبطاً مع الآوجينول أو مع DEET ) , يتم إغلاق المسام ، ولكن في الهيكل حيث يرتبط إما بالأوجينول أو DEET ، تتمدد المسامات وتوفر مسارًا لتدفق الأيونات."
.png)
تتسع مسام القناة (الزرقاء) لمستقبِل شمي (وردي) عندما يرتبط جزيء الرائحة بالمستقبِل.
مع وجود الهياكل في متناول اليد ، نظر الفريق عن كثب ليرى بالضبط أين وكيف يرتبط الجزيئان المختلفان كيميائيًا بالمستقبل. كانت هناك فكرتان حول تفاعلات مستقبلات الرائحة مع الجزيئات. أحدها هو أن المستقبلات قد تطورت لتمييز كميات كبيرة من الجزيئات من خلال الاستجابة لميزة جزئية ولكنها محددة للجزيء ، مثل جزء من شكله. اقترح باحثون آخرون أن كل مستقبل يحزم عدة جيوب على سطحه في وقت واحد ، مما يسمح له باستيعاب عدد من الجزيئات المختلفة.
لكن ما وجدته روتا لا يناسب أيًا من هذين السيناريوهين. اتضح أن كلاً من DEET و eugenol يرتبطان في نفس الموقع ويتناسبان تمامًا داخل جيب بسيط داخل المستقبل. والمثير للدهشة أن الأحماض الأمينية التي تبطن الجيب لم تشكل روابط كيميائية قوية وانتقائية مع الروائح ، بل كانت روابط ضعيفة فقط . في حين أن المستقبلات وجزيئاتها المستهدفة في معظم الأنظمة الأخرى هي تطابق كيميائي جيد ، فقد بدت هنا أشبه برباط غير متين . تقول روتا: "تسمح هذه الأنواع من التفاعلات الكيميائية غير النوعية بالتعرف على الروائح المختلفة". وبهذه الطريقة ، لا يكون المستقبل انتقائيًا لخاصية كيميائية معينة. بدلاً من ذلك ، إنه يدرك الطبيعة الكيميائية الأكثر عمومية للرائحة ، " بحسب روتا.
وكما كشفت النمذجة الحسابية ، يمكن للجيب نفسه أن يستوعب العديد من جزيئات الرائحة الأخرى بنفس الطريقة.
لكن تنوّع عمل المستقبل لا يعني أنه ليس له خصوصية ، كما تقول روتا. على الرغم من أن كل مستقبل يستجيب لعدد كبير من الجزيئات ، إلا أنه غير حساس للآخرين. علاوة على ذلك ، فإن حدوث طفرة بسيطة في الأحماض الأمينية لموقع الارتباط سيعيد تكوين المستقبل على نطاق واسع ، ويغير الجزيئات التي يفضل الارتباط بها . تساعد هذه النتيجة الأخيرة أيضًا في تفسير كيف تمكنت الحشرات من تطوير عدة ملايين من أنواع مستقبلات الرائحة المناسبة لمجموعة واسعة من أنماط الحياة والأماكن التي تواجهها.
تقول روتا إن النتائج من المحتمل أن تكون ممثلة للعديد من المستقبلات الشمية. "يشيرون إلى المبادئ الأساسية في التعرف على الرائحة ، ليس فقط في مستقبلات الحشرات ولكن أيضًا في المستقبلات الموجودة داخل أنوفنا والتي يجب أن تكتشف وتميز أيضًا العالم الكيميائي الغني."
المصدر