Im Labor entwickelte Rezeptoren geben Aufschluss über die Geruchserkennung

Ein Forscherteam unter der Leitung der Duke University, der University of California San Francisco und des Beckman Research Institute in City of Hope entwarf Geruchsrezeptoren, um die molekulare Grundlage der Geruchsunterscheidung aufzudecken.

Wirbeltiere nehmen Gerüche über G-Protein-gekoppelte Geruchsrezeptoren (ORs) wahr. Der Mensch verfügt über etwa 400 solcher Rezeptoren, die es uns ermöglichen, gute Gerüche von schlechten Gerüchen zu unterscheiden, die uns begegnen.

Die OR-Familie umfasst zwei Hauptklassen. ORs der Klasse I sind für Carbonsäuren geeignet und erfassen die Gerüche von Essig, verdorbener Milch, Schweiß, einigen Käsesorten, tierischen Fetten und einigen Speiseölen. ORs der Klasse II reagieren auf eine Vielzahl von Geruchsstoffen und machen den Großteil des menschlichen Geruchssinns aus.

Zu verstehen, wie das Geruchssystem Geruchsstoffe mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften erkennt und unterscheidet, bleibt aufgrund der Schwierigkeit, diese natürlichen Rezeptorstellen in Aktion zu visualisieren, eine Herausforderung.

Die Beobachtung, wie Operationssäle in der menschlichen Nase interagieren, ist mit der aktuellen Labortechnik nicht möglich. Glücklicherweise haben Forscher herausgefunden, dass die Nachbildung von Operationssälen in einer synthetischen Laborumgebung etwas ist, was die Wissenschaft tun kann.

In der Studie „Entworfene Geruchsrezeptoren geben Licht auf der Grundlage der Geruchsunterscheidung“, veröffentlicht in NaturForscher nutzten ORs, die mithilfe einer Konsens-Proteindesign-Strategie entworfen wurden, um die molekularen Eigenschaften von Geruchsstoffinteraktionen mit dem OR aufzudecken.

Die manipulierten ORs wurden genetisch den 17 wichtigsten menschlichen OR-Unterfamilien nachempfunden und lieferten Vorlagen für einzelne native ORs mit hoher Sequenz- und Strukturähnlichkeit.

Nachdem die Funktionsblöcke entworfen waren, erstellte das Team individuelle genetische Anweisungen (synthetische DNA), um diese synthetischen Rezeptoren herzustellen. Die synthetische DNA wurde dann in Vektoren eingefügt, kleine kreisförmige DNA-Moleküle, die sich unabhängig innerhalb einer Wirtszelle replizieren können.

Diese Vektoren wurden in im Labor gezüchtete menschliche Zellen eingeführt, wobei die Zellen als winzige Fabriken genutzt wurden, die genetische Anweisungen in modifizierte OR-Proteine ​​umwandelten.

Die Forscher führten cAMP-Akkumulationstests durch, um die Aktivität modifizierter ORs als Reaktion auf bestimmte Gerüche zu testen. Dieser Test misst die Produktion von zyklischem AMP (cAMP), einem Molekül, das an der Signalübertragung beteiligt ist.

Ein cAMP-Assay verwendet typischerweise eine Lumineszenzreaktion, die während der Bindungsstellenaktivität schwächer wird, was den Forschern eine visuelle Bestätigung und ein quantitatives Maß für die Rezeptoraktivierung liefert, wenn Geruchsstoffe mit den modifizierten Op-Blöcken interagieren.

Durch den Vergleich der Reaktionen modifizierter ORs auf verschiedene Geruchsstoffe zeigte die Studie unterschiedliche Muster der Geruchsstoffbindung und Aktivierungsmechanismen zwischen ORs der Klassen I und II auf.

Der neue Ansatz der Methode überwindet das größte Hindernis, auf das Forscher bei der Entdeckung der molekularen Erkennung von Geruchsstoffen durch die OR-Superfamilie gestoßen sind. Diese Bemühungen werden die zukünftige Forschung darüber, wie das olfaktorische System eine Vielzahl von Geruchsstoffen erkennt und unterscheidet, erheblich voranbringen.

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