Quebrando um impasse de longa data em nossa compreensão do olfato, cientistas da UC San Francisco (UCSF) criaram a primeira imagem 3D em nível molecular de como uma molécula de odor ativa um receptor de odor humano, uma etapa crucial para decifrar o sentido do olfato.
As descobertas, publicadas online em 15 de março de 2023, em Natureza, estão prestes a reacender o interesse na ciência do olfato com implicações para fragrâncias, ciência alimentar e muito mais. Receptores de odor – proteínas que ligam moléculas de odor na superfície das células olfativas – constituem metade da maior e mais diversa família de receptores em nossos corpos; Uma compreensão mais profunda deles abre caminho para novos insights sobre uma série de processos biológicos.
“Este tem sido um grande objetivo no campo há algum tempo”, disse Aashish Manglik, MD, PhD, professor associado de química farmacêutica e autor sênior do estudo. O sonho, disse ele, é mapear as interações de milhares de moléculas de cheiro com centenas de receptores de odor, para que um químico possa projetar uma molécula e prever como ela cheiraria.
“Mas não conseguimos fazer este mapa porque, sem uma imagem, não sabemos como as moléculas de odor reagem com seus receptores de odor correspondentes”, disse Manglik.
Uma imagem pinta o cheiro do queijo
O olfato envolve cerca de 400 receptores únicos. Cada uma das centenas de milhares de aromas que podemos detectar é feita de uma mistura de diferentes moléculas de odor. Cada tipo de molécula pode ser detectado por uma série de receptores, criando um quebra-cabeça para o cérebro resolver cada vez que o nariz sente o cheiro de algo novo.
“É como tocar as teclas de um piano para produzir um acorde”, disse Hiroaki Matsunami, PhD, professor de genética molecular e microbiologia na Duke University e colaborador próximo de Manglik. O trabalho de Matsunami nas últimas duas décadas concentrou-se na decodificação do sentido do olfato. “Ver como um receptor odorante se liga a um odorante explica como isso funciona em um nível fundamental.”
Para criar essa imagem, o laboratório de Manglik usou um tipo de imagem chamada microscopia crioeletrônica (cryo-EM), que permite aos pesquisadores ver a estrutura atômica e estudar as formas moleculares das proteínas. Mas antes que a equipe de Manglik pudesse visualizar o receptor odorante ligando uma molécula de cheiro, eles primeiro precisaram purificar uma quantidade suficiente da proteína receptora.
Receptores odorantes são notoriamente desafiadores, alguns dizem impossíveis, de produzir em laboratório para tais propósitos.
As equipes de Manglik e Matsunami procuraram um receptor de odor que fosse abundante tanto no corpo quanto no nariz, pensando que poderia ser mais fácil de produzir artificialmente e que também pudesse detectar odores solúveis em água. Eles se estabeleceram em um receptor chamado OR51E2, que é conhecido por responder ao propionato – uma molécula que contribui para o cheiro pungente do queijo suíço.
Mas mesmo o OR51E2 provou ser difícil de fazer no laboratório. Experimentos típicos de cryo-EM requerem um miligrama de proteína para produzir imagens em nível atômico, mas o co-primeiro autor Christian Billesbøelle, PhD, cientista sênior do Manglik Lab, desenvolveu abordagens para usar apenas 1/100 de um miligrama de OR51E2, colocando o instantâneo do receptor e odorante ao seu alcance.
“Fizemos isso ao superar vários impasses técnicos que sufocaram o campo por muito tempo”, disse Billesbøelle. “Fazer isso nos permitiu ter o primeiro vislumbre de um odorante conectando-se com um receptor de odor humano no exato momento em que um cheiro é detectado”.
Este instantâneo molecular mostrou que o propionato adere firmemente ao OR51E2 graças a um ajuste muito específico entre o odorante e o receptor. A descoberta combina com uma das funções do sistema olfativo como sentinela do perigo.
Embora o propionato contribua para o rico aroma de nozes do queijo suíço, por si só, seu aroma é muito menos apetitoso.
“Este receptor é um laser focado na tentativa de sentir o propionato e pode ter evoluído para ajudar a detectar quando a comida estragou”, disse Manglik. Receptores para cheiros agradáveis, como mentol ou alcaravia, podem interagir mais vagamente com odores, ele especulou.
Apenas um suspiro
Além de empregar um grande número de receptores ao mesmo tempo, outra qualidade interessante do olfato é nossa capacidade de detectar pequenas quantidades de odores que podem ir e vir. Para investigar como o propionato ativa esse receptor, a colaboração recrutou o biólogo quantitativo Nagarajan Vaidehi, PhD, da City of Hope, que usou métodos baseados na física para simular e fazer filmes de como o OR51E2 é ativado pelo propionato.
“Fizemos simulações de computador para entender como o propionato causa uma mudança de forma no receptor em nível atômico”, disse Vaidehi. “Essas mudanças de forma desempenham um papel crítico em como o receptor odorante inicia o processo de sinalização celular que leva ao nosso olfato”.
A equipe agora está desenvolvendo técnicas mais eficientes para estudar outros pares odorante-receptor e para entender a biologia não olfativa associada aos receptores, que foram implicados no câncer de próstata e na liberação de serotonina no intestino.
Manglik prevê um futuro onde novos cheiros podem ser projetados com base na compreensão de como a forma de uma substância química leva a uma experiência perceptiva, não muito diferente de como os químicos farmacêuticos hoje projetam drogas com base nas formas atômicas das proteínas causadoras de doenças.
“Sonhamos em resolver esse problema há anos”, disse ele. “Agora temos nosso primeiro ponto de apoio, o primeiro vislumbre de como as moléculas do cheiro se ligam aos nossos receptores olfativos. Para nós, isso é apenas o começo.”
Financiamento: Este trabalho foi apoiado por NIH concede R01DC020353, K99DC018333 e o Programa UCSF para Breakthrough Biomedical Research, financiado em parte pela Fundação Sandler. O equipamento Cryo-EM na UCSF é parcialmente financiado pelos subsídios do NIH S10OD020054 e S10OD021741. Para outros financiamentos, consulte o documento.