[读懂科学]“可分辨1万亿种气味”…人类嗅觉的秘密
美国加州大学团队在《自然》发表论文
首次成功绘制特定嗅觉受体三维结构
还揭示气味分子相互作用机制
人类对最复杂嗅觉的理解再进一步
人类之所以能够闻到气味，是因为鼻腔中存在嗅觉受体（olfactory receptors）。但这些受体如何感知分子，使我们产生“气味”的感觉并将其精确区分，目前所知仍然很少。近期，科学家成功精确绘制出人类嗅觉受体的三维结构，并确认其工作机制。外界评价认为，这是理解在人类各种感官中最为复杂的嗅觉所迈出的重要一步。
国际学术期刊《Nature》于本月15日（当地时间）刊登了美国加州大学研究团队撰写的相关论文。论文精细刻画了名为“OR51E2”的嗅觉受体的三维结构，并展示了其在感知奶酪气味的过程中，与气味分子发生何种相互作用的研究结果。
人类如何能够闻到气味，其机制被揭示出来也不过是30多年前的事。1991年，Richard Axel和Linda Buck在小鼠的鼻子中发现了嗅觉受体，并凭借这一贡献于2004年获得诺贝尔生理学或医学奖。人类基因组（genome）中编码有400种嗅觉受体。其中约有50种嗅觉受体已被证实可与特定气味对应，但其余约350种与何种气味相对应仍未被揭示。2014年还有研究结果指出，人类可以分辨约1万亿种气味。
并非一个受体只负责一种气味，而是同一种物质会同时激活多个受体，大脑根据这种组合方式来识别不同气味。比如，同样是类似的花香，如果百合香气刺激的是受体A、B、C，那么木兰花香气刺激的则是B、C、D，人类便能感知到其中微妙差异。研究团队表示：“这就像在弹钢琴和弦”，“就如同同时按下多个琴键才能形成一个和弦，人类之所以会意识到自己闻到了某种特定气味，是因为气味分子与多个嗅觉受体相互作用后所产生结果的组合。”
不过，迄今为止，由于技术上的困难，对于嗅觉受体如何识别特定气味分子并向大脑发出信号，人们所知仍然极为有限。将动物体内的嗅觉受体蛋白分离出来并在实验室中进行研究非常棘手。为克服这一难题，研究团队将研究焦点集中在名为“OR51E2”的单一嗅觉受体上。该受体会与两种分子发生相互作用：一种是导致醋味的乙酸盐，另一种是导致奶酪气味的丙酸盐。此外，它不仅存在于负责嗅觉的神经细胞中，还在肠道、肾脏、前列腺等组织中被发现，被推测还承担着其他功能。
研究团队在分离出OR51E2后，利用可拍摄到原子尺度的冷冻电子显微镜，分析了其与丙酸盐结合状态和未结合状态下的结构。研究人员还通过计算机模拟，在原子尺度上分析了这一受体如何与气味物质（odorant·气味源分子）发生相互作用。结果发现，丙酸盐在OR51E2受体的“结合口袋（binding pocket）”区域，通过将羧酸基团固定在氨基酸和精氨酸上的特定离子键和氢键，与OR51E2受体结合。相反，当通过诱导突变改变OR51E2受体中的精氨酸时，丙酸盐便无法再与之结合。由此证实，这种嗅觉受体与气味物质之间的分子相互作用，在产生“气味”这一感官过程中起着关键作用。
不过，OR51E2受体在人体嗅觉受体基因中，属于功能相对简单的约10%那一组。其余嗅觉受体则参与感知更广范围的气味。洛克菲勒大学脑科学教授Vanessa Ruta表示：“嗅觉受体具有极其多样的作用机制”，“只有进一步研究和分析其他类型的受体，才能拓宽我们对嗅觉识别各种过程的理解。”
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