Паоло Пелоси - Обоняние [Увлекательное погружение в науку о запахах]

От одорантов к эмоциям

Мы точно знали, что они существуют, и даже неплохо представляли, как они должны выглядеть.

Это не мешало им ускользать от всех попыток их найти.

Идентификация ольфакторных рецепторов стала результатом целой серии событий. Открытие ОСБ впервые показало, что к обонянию можно применять биохимический подход, а заодно предоставило нам нужные инструменты и даже подсказало маршрут. Но тут на сцену вышла и принялась стремительно развиваться молекулярная биология – уже со своим инструментарием, позволяющим изучать гены и кодирующую белки последовательность ДНК. Это позволило значительно сократить путь к рецепторам. Самым крупным шагом вперед, вероятно, стоит считать изобретение новейших (на тот момент) техник умножения последовательностей (репликации) ДНК, то есть быстрого и несложного получения миллиардов копий. Особенно важно это было для изучения генов с малым количеством копий, например тех, которые кодируют ольфакторные рецепторы.

Именно из-за крошечных объемов этих рецепторов в ольфакторном эпителии многие исследовательские группы, вдохновленные успехами ОСБ, и терпели крах все предшествующее десятилетие. Пользуясь биохимическими методиками, они время от времени получали результаты, но весьма скудные и двусмысленные. Впрочем, никакие другие группы повторить их все равно не смогли. Всякое научное открытие непременно должно быть подтверждено, а ваши результаты – повторены другими учеными; только после этого его принимает научное сообщество. Так как раз получилось с ОСБ – интерес к ним вспыхнул мгновенно после того, как американские коллеги сумели воспроизвести результаты наших опытов.

Ничтожные количества мембранных белков сами по себе уже сильно затрудняли идентификацию. Но еще труднее оказалось иметь дело со слишком большим количеством рецепторов, которых у каждого вида по несколько сотен – согласно имеющейся в нашем распоряжении информации по геному. Все они отличаются друг от друга, но так близки по химическим свойствам, что изолировать их нет практически никакой возможности.

Необычайная сложность ольфакторного кода до сих пор оставалась для большинства ученых загадкой. Обонятельную систему очень хотелось видеть простой и элегантной, подобно зрительной; ученые надеялись, что вся она сводится к нескольким элементарным ощущениям. Увы, очень скоро от этой надежды не осталось камня на камне.

В противоположность этим распространенным представлениям Ричард Аксель и Линда Бак были убеждены, что ольфакторные рецепторы представляют собой огромное мультигенное семейство, – и оказались в итоге совершенно правы. Блестящее интуитивное прозрение! При таком сценарии искать белки-рецепторы биохимическими методами не имело ни малейшего смысла, и эта пара исследователей решила сосредоточиться на соответствующих генах.

В конце 1980-х, когда Бак и Аксель приступили к исследованиям, молекулярная биология уже прочно стояла на ногах. Метод полимеразной цепной реакции (ПЦР) стремительно набирал популярность благодаря беспрецедентной эффективности в изучении генов с очень низкой экспрессией – именно к таким, как предполагалось, относятся и ольфакторные рецепторы.

Амплификация гена с помощью ПЦР – дело совсем не сложное, если вы уже знаете хотя бы несколько фрагментов его нуклеотидной цепочки. Но с ольфакторными рецепторами все было по-другому. Искать пришлось среди сотен и тысяч разных секвенций, причем не понимая толком, что именно ты ищешь. След был один, да и тот совсем слабый: ученые знали, что некий мембранный белок, называемый G-белком, был ступенькой от обонятельного стимула к восприятию и что G-белки связаны с особым семейством рецепторов, расположенных в клеточной мембране, причем очень интересным способом: они пересекают ее по нескольку раз, следуя попеременно то внутрь клетки, то наружу. Из-за этой своей особенности они называются 7-ТМ (семь трансмембранным) семейством. Уже упоминавшийся родопсин и β-адренэргические рецепторы (занимающиеся регистрацией нейротрансмиттеров) относятся к этому семейству. На тот момент они уже были изучены достаточно хорошо. Бак и Аксель сосредоточились именно на этих рецепторах и приняли их последовательности за шаблон для дизайна коротких сегментов ДНК (праймеров), с помощью которых в ПЦР планировалось выловить какие-нибудь ольфакторные рецепторы.

Да, все выглядит просто и прямолинейно, но на самом деле искать ольфакторные рецепторы примерно так же легко и удобно, как пресловутую иголку в стоге сена. Несколько лабораторий в то время параллельно шли по следу и сотнями проводили ПЦР-эксперименты, постоянно клонируя и выбрасывая гены, в надежде отыскать ту единственную последовательность, которая укажет путь ко всем генам ольфакторных рецепторов, – словно золотоискатели в поисках вожделенного самородка.

В таких ситуациях нужнее всего терпение и настойчивость – умение снова и снова терпеть поражение и не сдаваться. Ну и конечно, твердая вера в то, что предмет поисков вообще существует на свете и что рано или поздно ты его обязательно найдешь. Линда Бак не только обладала всеми этими качествами, но и лучше других умела сочинять праймеры и ставить эксперименты. Возможно, ей вдобавок сопутствовала удача, но все-таки главным фактором, принесшим успех по истечении трех долгих лет, была стойкость.

Первые свои результаты Линда Бак и Ричард Аксель обнародовали в 1991 году в престижном журнале Cell [1]. Публикация статьи произвела эффект разорвавшейся бомбы. Они практически снесли глухую стену, открыв науке доступ в скрывавшийся за ней целый новый мир. Через 13 лет важность их открытия была признана в мировом масштабе: оба ученых получили Нобелевскую премию в области медицины и физиологии [2].

Всякому, кто занимался обонянием, было ясно, что фрагментарные последовательности, о которых написал Cell, содержат ключ к пониманию всего языка запахов. Многие лаборатории, занимавшиеся поиском ольфакторных рецепторов, с помощью новой информации сделали огромный шаг вперед – да что там шаг, практически прыжок. Другие группы изменили сам подход к проблеме и организовали новые молекулярно-биологические исследовательские центры. То, что каких-то десять лет назад считалось областью ненадежной и рискованной, куда лучше лишний раз не заглядывать, ныне превратилось в святую землю, текущую молоком и медом.

Впервые наука получила прямой доступ к рецепторам, считывающим химическую информацию, записанную в структуре одорантов, и переводящим ее в электрические сигналы, которые, попадая в мозг, порождают эмоции, слова и поведенческие реакции. Линда и Ричард заложили первый, самый важный кирпичик, но сделать предстояло еще очень много. Сложные механизмы, ведущие к воспринимаемым мозгом ощущениям, затейливые нейронные сети, по которым путешествуют обонятельные сообщения, мешая друг другу и взаимодействуя с прочими областями мозга, еще только ждали своего исследователя.