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Las primeras imágenes moleculares del olfato abren la puerta a la creación de nuevos olores
Científicos de la Universidad de California en San Francisco (UCSF) han creado la primera imagen molecular en 3D de cómo una molécula de olor activa un receptor odorante humano, un paso crucial para descifrar el sentido del olfato.
Los hallazgos, que aparecen en la edición electrónica del 15 de marzo de 2023 de Nature, están a punto de reavivar el interés por la ciencia del olfato, con implicaciones para las fragancias, la ciencia de los alimentos y otros campos. Los receptores odoríferos -proteínas que se unen a las moléculas de olor en la superficie de las células olfativas- constituyen la mitad de la familia de receptores más grande y diversa de nuestro cuerpo; un conocimiento más profundo de ellos allana el camino hacia nuevos conocimientos sobre una serie de procesos biológicos.
«Este ha sido un gran objetivo en este campo durante algún tiempo», afirmó el Dr. Aashish Manglik, profesor asociado de química farmacéutica y autor principal del estudio. Según él, el sueño es cartografiar las interacciones de miles de moléculas aromáticas con cientos de receptores odorantes, de modo que un químico pueda diseñar una molécula y predecir a qué olerá.
«Pero no hemos podido hacer este mapa porque, sin una imagen, no sabemos cómo reaccionan las moléculas olorosas con sus correspondientes receptores de olores», afirma Manglik.
Una imagen pinta el aroma del queso
En el olfato intervienen unos 400 receptores únicos. Cada uno de los cientos de miles de olores que podemos detectar está formado por una mezcla de moléculas olorosas diferentes. Cada tipo de molécula puede ser detectado por un conjunto de receptores, creando un rompecabezas que el cerebro debe resolver cada vez que la nariz percibe algo nuevo.
«Es como pulsar las teclas de un piano para producir un acorde», explica el doctor Hiroaki Matsunami, catedrático de genética molecular y microbiología de la Universidad de Duke y estrecho colaborador de Manglik. El trabajo de Matsunami en las dos últimas décadas se ha centrado en descifrar el sentido del olfato. «Ver cómo un receptor odorante se une a un odorante explica cómo funciona esto a un nivel fundamental».
Para crear esa imagen, el laboratorio de Manglik utilizó un tipo de imagen llamado criomicroscopía electrónica (crioEM), que permite a los investigadores ver la estructura atómica y estudiar las formas moleculares de las proteínas. Pero antes de que el equipo de Manglik pudiera visualizar el receptor odorante uniéndose a una molécula de olor, necesitaban purificar una cantidad suficiente de la proteína receptora.
Los receptores odorantes son muy difíciles de fabricar en el laboratorio para estos fines, y algunos dicen que imposibles.
Los equipos de Manglik y Matsunami buscaron un receptor odorante que abundara tanto en el cuerpo como en la nariz, pensando que sería más fácil de fabricar artificialmente, y que además pudiera detectar olores solubles en agua. Se decidieron por un receptor llamado OR51E2, conocido por su respuesta al propionato, una molécula que contribuye al penetrante olor del queso suizo.
Pero incluso OR51E2 resultó difícil de fabricar en el laboratorio. Los experimentos típicos de crio-EM requieren un miligramo de proteína para producir imágenes a nivel atómico, pero el coautor Christian Billesbøelle, PhD, científico principal del laboratorio Manglik, desarrolló métodos para utilizar sólo una centésima parte de un miligramo de OR51E2, poniendo la instantánea del receptor y el odorante al alcance de la mano.
«Lo conseguimos superando varios impasses técnicos que han asfixiado el campo durante mucho tiempo», afirma Billesbøelle. «Hacerlo nos permitió captar la primera imagen de un odorante que conecta con un receptor odorante humano en el mismo momento en que se detecta un olor».
Esta instantánea molecular demostró que el propionato se adhiere fuertemente al OR51E2 gracias a un ajuste muy específico entre odorante y receptor. El hallazgo coincide con una de las funciones del sistema olfativo como centinela del peligro.
Aunque el propionato contribuye al rico aroma a nuez del queso suizo, por sí solo su olor es mucho menos apetitoso.
«Este receptor se concentra en detectar el propionato y puede haber evolucionado para ayudar a detectar si la comida se ha echado a perder», explica Manglik. En cambio, los receptores de olores agradables como el mentol o la alcaravea podrían interactuar de forma más flexible con los odorantes, especuló.
Con solo soplar
Además de emplear un gran número de receptores a la vez, otra cualidad interesante del sentido del olfato es nuestra capacidad para detectar pequeñas cantidades de olores que pueden ir y venir. Para investigar cómo el propionato activa este receptor, la colaboración recurrió al biólogo cuantitativo Nagarajan Vaidehi, PhD, de City of Hope, que utilizó métodos basados en la física para simular y filmar cómo el propionato activa el OR51E2.
«Realizamos simulaciones por ordenador para comprender cómo el propionato provoca un cambio de forma en el receptor a nivel atómico», explica Vaidehi. «Estos cambios de forma desempeñan un papel fundamental en el modo en que el receptor odorante inicia el proceso de señalización celular que conduce a nuestro sentido del olfato».
El equipo está desarrollando ahora técnicas más eficaces para estudiar otros pares de receptores odorantes y comprender la biología no olfativa asociada a los receptores, que se han relacionado con el cáncer de próstata y la liberación de serotonina en el intestino.
Manglik imagina un futuro en el que puedan diseñarse nuevos olores a partir de la comprensión de cómo la forma de una sustancia química conduce a una experiencia perceptiva, de forma parecida a cómo los químicos farmacéuticos diseñan hoy fármacos a partir de las formas atómicas de las proteínas causantes de enfermedades.
«Llevábamos años soñando con resolver este problema», afirma. «Ahora tenemos nuestro primer punto de apoyo, el primer atisbo de cómo las moléculas del olfato se unen a nuestros receptores odorantes. Para nosotros, esto es sólo el principio».
Abril 17/2023 (Science Daily) – Tomado de Science News. Copyright 1995-2022 ScienceDaily. Traducción realizada con la versión gratuita del traductor www.DeepL.com/Translator.
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