Funcionamento secreto de receptores de cheiro revelados pela primeira vez

Pesquisadores finalmente viram como alguns receptores de cheiro se ligam a moléculas de odor. O trabalho produz novos insights sobre um dos sentidos mais misteriosos e versáteis.

Antenas, como esta de uma mosca, carregam os receptores que fornecem aos insetos o poder agudo de detecção de odores de que precisam para sobreviver. O olfato continua sendo um dos sentidos menos compreendidos, mas novas pesquisas revelaram uma parte fundamental do processo sensorial em alguns insetos.

O olfato, ao invés da visão, reina como o sentido supremo para a maioria dos animais. Permite que eles encontrem comida, evitem o perigo e atraiam companheiros; domina suas percepções e orienta seu comportamento; dita como eles interpretam e respondem ao dilúvio de informações sensoriais ao seu redor.

“Como nós, como criaturas biológicas, nos relacionamos com a química no mundo é profundamente importante para entender quem somos e como navegamos no universo”, disse Bob Datta , neurobiologista da Harvard Medical School.

No entanto, o olfato também pode ser o menos compreendido de nossos sentidos, em parte por causa da complexidade das entradas com as quais deve contar. O que podemos rotular como um único odor - o cheiro de café pela manhã, de grama molhada após uma tempestade de verão, de xampu ou perfume - costuma ser uma mistura de centenas de tipos de produtos químicos. Para um animal detectar e discriminar entre os muitos cheiros que são essenciais para sua sobrevivência, o repertório limitado de receptores em seus neurônios sensoriais olfativos deve de alguma forma reconhecer um grande número de compostos. Portanto, um receptor individual deve ser capaz de responder a muitas moléculas de odor diversas e aparentemente não relacionadas.

Essa versatilidade está em desacordo com o modelo tradicional de chave e fechadura que rege como as interações químicas seletivas tendem a funcionar. “Na biologia do ensino médio, foi isso que aprendi sobre as interações ligante-receptor”, disse Annika Barber , bióloga molecular da Rutgers University. “Algo tem que caber precisamente em um local, e então muda [o arranjo atômico da proteína], e então funciona.”

Agora, um novo trabalho deu um passo crucial e muito antecipado à frente na elucidação dos estágios iniciais do processo olfativo. Em uma pré-impressão postada online no início deste ano , uma equipe de pesquisadores da Universidade Rockefeller em Nova York forneceu a primeira visão molecular de um receptor olfativo ao se ligar a uma molécula de odor. “Isso tem sido um sonho na área”, desde que os receptores olfativos foram descobertos há 30 anos, disse Richard Benton , biólogo da Universidade de Lausanne, na Suíça, que não participou do novo estudo.

Os pesquisadores caracterizaram um receptor de odor na cauda de cerdas saltadoras, um inseto sem asas cujo sistema olfativo mais simples e ancestral o tornava um objeto de teste ideal.

“É inequivocamente um artigo de referência”, disse Datta. “Embora já tenhamos acesso a receptores como moléculas por muito tempo, ninguém nunca viu com os olhos como é quando um odor se liga a um receptor.”

O resultado confirma como os animais identificam e discriminam entre números astronômicos de odores. Ele também lança luz sobre os princípios-chave da atividade do receptor que podem ter implicações de longo alcance - para a evolução da percepção química, para nossa compreensão de como outros sistemas e processos neurológicos funcionam e para aplicações práticas, como o desenvolvimento de drogas direcionadas e repelentes de insetos .

Várias hipóteses competiram para explicar como os receptores olfativos alcançam a flexibilidade necessária. Alguns cientistas propuseram que os receptores respondem a uma única característica das moléculas de odor, como forma ou tamanho; o cérebro pode então identificar um odor de alguma combinação dessas entradas. Outros pesquisadores postularam que cada receptor tem vários locais de ligação, permitindo que diferentes tipos de compostos se encaixem. Mas para descobrir qual dessas idéias era a correta, eles precisavam ver a estrutura real do receptor.

A equipe de Rockefeller voltou-se para as interações do receptor na cauda de cerda saltadora, um inseto ancestral que vive no solo e possui um sistema receptor olfativo particularmente simples.

Nos insetos, os receptores olfativos são canais iônicos que se ativam quando uma molécula de odor se liga a eles. Eles podem ser a maior e mais divergente família de canais iônicos na natureza, com milhões de variantes entre as espécies de insetos do mundo. E, portanto, eles devem equilibrar cuidadosamente a generalidade contra a especificidade, mantendo-se flexíveis o suficiente para detectar um enorme número de odores potenciais enquanto são seletivos o suficiente para reconhecer os importantes, que podem diferir consideravelmente de uma espécie ou ambiente para outro.

Uma figura que mostra como funcionam os receptores olfativos dos canais iônicos.

Samuel Velasco / Revista Quanta

Qual foi o mecanismo que lhes permitiu navegar nessa linha tênue e evoluir dessa forma? “É um sistema maluco de se pensar”, disse Vanessa Ruta , neurocientista da Universidade Rockefeller que liderou a pesquisa relatada no recente preprint. “Então, percebemos que a melhor maneira de obter uma visão sobre esse problema provavelmente seria por meio de métodos estruturais.”

Os métodos tradicionais para determinar a estrutura molecular tridimensional das proteínas não funcionam bem em receptores olfativos, que tendem a dobrar mal, se comportar de maneira anormal ou se tornarem difíceis de distinguir nas condições que essas análises exigem. Mas os recentes avanços tecnológicos, principalmente uma técnica de imagem chamada microscopia crioeletrônica, possibilitaram que Ruta e seus colegas experimentassem.

Eles examinaram a estrutura de um receptor olfativo de cauda de cerdas saltantes em três configurações diferentes: sozinho e ligado a uma molécula de odor comum chamada eugenol (que tem cheiro de cravo para os humanos) ou ao repelente de insetos DEET. Eles então compararam essas estruturas, até seus átomos individuais, para entender como a ligação do odor abriu o canal iônico e como um único receptor poderia detectar produtos químicos de formas e tamanhos muito diferentes.

“Na verdade, é muito bonito”, disse Ruta.

Os pesquisadores descobriram que, embora o DEET e o eugenol não tenham muito em comum como moléculas, ambos se ancoram no mesmo local dentro do receptor. Isso acabou sendo um bolso profundo e geometricamente simples, forrado com muitos aminoácidos que facilitam interações frouxas e fracas; O eugenol e o DEET aproveitaram-se de diferentes interações para se alojar nele. Outros modelos computacionais mostraram que cada molécula era capaz de se ligar em muitas orientações diferentes - e que muitos outros tipos de compostos de odor, embora não todos, podiam se ligar ao receptor de maneira semelhante. Este não era um mecanismo de chave e fechadura, mas uma abordagem de tamanho único.

O receptor “está fazendo um reconhecimento mais holístico da molécula, ao invés de apenas detectar qualquer característica estrutural específica”, disse Ruta. “É apenas uma lógica química muito diferente.”

Quando Ruta e sua equipe introduziram mudanças no bolso do receptor, eles descobriram que mutações de até mesmo um único aminoácido eram suficientes para alterar suas propriedades de ligação. E isso, por sua vez, foi o suficiente para afetar as interações do receptor com muitos compostos, reconfigurando inteiramente o que o receptor respondia.

Alargar o bolso, por exemplo, aumentou sua afinidade pelo DEET, uma molécula maior, enquanto diminuiu sua afinidade pelo eugenol, que pode não ter cabido tão bem devido ao seu tamanho menor. Essas mudanças também teriam muitos efeitos a jusante na paleta mais ampla de detecção de odores do receptor, que os pesquisadores não foram preparados para identificar.

As observações da equipe podem explicar como os receptores olfativos de insetos geralmente podem evoluir tão rapidamente e divergir tanto entre as espécies. Cada espécie de inseto pode ter desenvolvido “seu repertório único de receptores que são realmente adequados para seu nicho químico específico”, disse Ruta.

“Isso nos diz que mais está acontecendo do que apenas a ideia de que os receptores interagem livremente com um monte de ligantes”, disse Datta. Um receptor construído em torno de um único bolso de ligação, com um perfil de resposta que pode ser ajustado pelo menor dos ajustes, poderia acelerar a evolução ao liberá-lo para explorar um amplo espectro de repertórios químicos.

Vanessa Ruta, neurocientista da Universidade Rockefeller, recorreu à biologia estrutural para obter novos insights sobre como os receptores olfativos únicos detectam tantas moléculas de odor diferentes.

Fundação John D. e Catherine T. MacArthur

A arquitetura do receptor também apoiou essa visão. Ruta e seus colegas descobriram que ele consistia em quatro subunidades de proteína fracamente ligadas ao poro central do canal, como as pétalas de uma flor. Apenas a região central precisava ser conservada à medida que o receptor se diversificou e evoluiu; as sequências genéticas que governam o resto das unidades receptoras eram menos restritas. Essa organização estrutural significava que o receptor poderia acomodar um amplo grau de diversificação.

Tais restrições evolutivas leves no nível do receptor provavelmente impõem pressão seletiva substancial a jusante nos circuitos neurais para o olfato: os sistemas nervosos precisam de bons mecanismos para decodificar os padrões confusos da atividade do receptor. “Efetivamente, os sistemas olfativos evoluíram para pegar padrões arbitrários de ativação do receptor e dotá-los de significado por meio do aprendizado e da experiência”, disse Ruta.

Porém, o que é intrigante é que o sistema nervoso não parece estar facilitando o problema para si. Os cientistas supuseram amplamente que todos os receptores em um neurônio olfatório individual eram da mesma classe e que neurônios de diferentes classes iam para regiões de processamento segregadas do cérebro. Em um par de pré - impressões postadas em novembro passado , os pesquisadores relataram que, tanto em moscas quanto em mosquitos, os neurônios olfativos individuais expressam várias classes de receptores. “O que é realmente surpreendente e aumentaria ainda mais a diversidade da percepção sensorial”, disse Barber.

As descobertas da equipe de Ruta estão longe de ser a última palavra sobre como funcionam os receptores olfativos. Os insetos usam muitas outras classes de receptores olfativos de canais iônicos, incluindo aqueles que são muito mais complexos e muito mais específicos do que os da cauda de cerda saltadora. Em mamíferos, o receptor olfativo nem mesmo é um canal iônico; pertence a uma família totalmente diferente de proteínas.

Como nós, como criaturas biológicas, interagimos com a química no mundo é profundamente importante para entender quem somos e como navegamos no universo.

Bob Datta, Harvard Medical School

“Essa é a primeira estrutura de reconhecimento de odorantes em qualquer receptor de qualquer espécie. Mas provavelmente não é o único mecanismo de reconhecimento de odor ”, disse Ruta. “Esta é apenas uma solução para o problema. Seria muito improvável que seja a única solução. ”

Mesmo assim, ela e outros pesquisadores acham que há muito mais lições gerais a aprender com o receptor olfativo da cauda de cerda saltadora. É tentador, por exemplo, imaginar como esse mecanismo pode se aplicar a outros receptores no cérebro de animais - desde aqueles que detectam neuromoduladores como a dopamina até aqueles que são afetados por vários tipos de anestésicos - “e quão imprecisos eles são 'permitidos' para ser ”, disse Barber. “Ele oferece um modelo fascinante para continuar a explorar interações de ligação inespecíficas.”

Talvez essa abordagem de ligação flexível deva ser considerada em outros contextos também, ela acrescentou. Uma pesquisa publicada no Proceedings of the National Academy of Sciences em março, por exemplo, sugeriu que mesmo os receptores de canais iônicos de chave e fechadura canônicos podem não ser tão estritamente seletivos quanto os cientistas pensavam.

Se muitos tipos diferentes de proteínas se ligassem aos receptores por meio de interações frágeis e flexíveis em algum tipo de bolsa, esse princípio poderia guiar o projeto racional de drogas para várias doenças, particularmente condições neurológicas. No mínimo, o trabalho de Ruta na ligação de DEET a um receptor olfativo de inseto poderia fornecer insights sobre como desenvolver repelentes direcionados. “O mosquito ainda é o animal mais mortal da Terra” por causa das doenças que carrega, disse Ruta.

“O mistério do reconhecimento químico é algo em que agora temos uma lente estrutural para pensar”, disse Ruta. “A biologia estrutural, no seu melhor, é bela e esclarecedora e tem um poder explicativo incrível. Meu laboratório trabalha muito em neurociência celular e de sistemas, e muito poucos experimentos têm tanto poder explicativo quanto uma estrutura. ”

Datta concordou sobre a abordagem da biologia estrutural. “Acho que é realmente um prenúncio do que está por vir”, disse ele. “Parece o futuro.”

Fonte: Quanta Magazine