L’osservazione diretta del modo in cui le molecole odorose si legano ad alcuni recettori dell’olfatto ha permesso finalmente di delinearne il funzionamento, e iniziare a capire come uno dei sensi più misteriosi sia in grado di distinguere un’infinità di odori.
Il senso dominante, per la maggior parte degli animali, non è la vista ma l’olfatto. Permette loro di trovare il cibo, evitare i pericoli e attirare i partner; domina le loro percezioni e ne guida il comportamento; detta il modo in cui interpretano e rispondono al diluvio di informazioni sensoriali che li circonda.
“Il modo in cui noi creature biologiche ci interfacciamo con la realtà chimica del mondo ha una profonda importanza per capire chi siamo e come ci muoviamo nell’universo”, dice Bob Datta, neurobiologo alla Harvard Medical School.
Le antenne, come questa di un moscerino della frutta, sono dotate di recettori che garantiscono agli insetti notevoli capacità di rilevamento degli odori
Eppure, allo stesso tempo, l’olfatto è forse il meno compreso dei nostri sensi, anche per la complessità dei segnali con cui deve avere a che fare. Ciò che noi possiamo etichettare come un singolo odore – quello del caffè la mattina, dell’erba bagnata dopo un temporale estivo, o di uno shampoo o di un profumo – è spesso una miscela di centinaia di composti chimici di diverso tipo. Perché un animale possa individuare e discriminare fra i molti odori che hanno un’importanza essenziale per la sua sopravvivenza, il limitato repertorio di recettori dei suoi neuroni sensoriali olfattivi deve in qualche modo riconoscere un gran numero di composti. E dunque il singolo recettore deve poter rispondere a numerose molecole odorose apparentemente non imparentate fra loro.
I ricercatori hanno caratterizzato un recettore degli odori nella coda di Machilis hrabei, un insetto senza ali il cui sistema olfattivo più semplice e ancestrale ne fa un oggetto sperimentale ideale
Una simile versatilità è in contrasto con il tradizionale modello a “chiave e serratura” che governa il modo in cui tendono a funzionare le interazioni chimiche selettive. “È quello che mi hanno insegnato nei corsi liceali di biologia sulle interazioni tra recettori e ligandi”, dice Annika Barber, biologa molecolare alla Rutgers University. “Bisogna innanzitutto che qualcosa entri con precisione in un certo sito di una proteina, quindi viene modificata la disposizione degli atomi della proteina, che poi fa quello che deve fare.”
Nuove ricerche, oggi, hanno fatto un passo avanti cruciale (e da tempo invocato) nel chiarire gli stadi iniziali dei processi olfattivi. In un preprint pubblicato on line qualche mese fa, un gruppo di scienziati della Rockefeller University di New York ha fornito la prima immagine molecolare di un recettore olfattivo nel momento in cui si lega a una molecola odorosa. “Nel nostro campo, è un sogno che ci portiamo dietro” fin dalla scoperta, trent’anni fa, dei recettori olfattivi, dice Richard Benton, biologo all’Università di Losanna, in Svizzera, non coinvolto nel nuovo studio.
“Senz’altro, questo lavoro è una pietra miliare”, sottolinea Datta. “Anche se avevamo accesso da tempo ai recettori come molecole, nessuno in realtà aveva mai visto con i propri occhi che cosa succede quando una molecola odorosa si lega a un recettore.”
Si tratta di un grosso passo avanti verso una descrizione del modo in cui gli animali riconoscono e distinguono gli odori fra un numero astronomico di sostanze odorose. E fa nuova luce anche sui principi chiave dell’attività dei recettori, cosa che potrebbe avere implicazioni di larga portata: per lo studio dell’evoluzione della percezione dell’ambiente chimico, per capire il funzionamento di altri sistemi e processi neurologici e per applicazioni pratiche come lo sviluppo di farmaci mirati e repellenti contro gli insetti.
Sono state avanzate varie ipotesi per spiegare in che modo i recettori olfattivi ottengono la necessaria flessibilità. Qualcuno ha proposto che i recettori rispondano a singole caratteristiche delle molecole odorose, come la forma o la dimensione; il cervello potrebbe poi identificare un odore combinando in qualche modo queste informazioni. Altri hanno postulato che ogni recettore abbia più di un sito di legame e quindi possa unirsi con diversi tipi di composti. Ma per capire quali erano le idee giuste, i ricercatori dovevano poter vedere l’effettiva struttura del recettore.
Il gruppo della Rockefeller University ha lavorato sulle interazioni dei recettori di Machilis hrabei, un insetto del terreno molto antico che ha un sistema di recettori olfattivi particolarmente semplice.
Negli insetti, i recettori olfattivi sono canali ionici che si attivano in seguito al legame con una molecola odorosa. Si tratta forse della più numerosa e diversificata famiglia di canali ionici esistente in natura, con milioni di varianti distribuite fra le tante specie di insetti del mondo. Che dunque devono trovare ogni volta un ben preciso equilibrio fra generalità e specificità, restando abbastanza flessibili da riconoscere un enorme numero di possibili odori mantenendo al contempo una selettività sufficiente a riconoscere in modo affidabile quelli importanti, che possono essere molto diversi a seconda della specie o dell’ambiente.
Dall’odore al segnale: i complessi processi della percezione olfattiva iniziano quando un composto che porta a un odore interagisce con i recettori di superficie dei neuroni sensoriali olfattivi. Negli insetti, i recettori sono canali ionici
I ricercatori hanno osservato la struttura di un recettore olfattivo di M. hrabei in tre diversi stati: da solo, legato a una comune molecola odorosa detta eugenolo (che per noi umani odora di chiodi di garofano), o legato a un repellente contro gli insetti, il DEET. Poi hanno confrontato le tre strutture, fino ai singoli atomi, per capire in che modo il legame della molecola odorosa fa aprire il canale ionico, e come mai uno stesso recettore è in grado di rilevare composti chimici di forme e dimensioni assai diverse.
“In realtà è proprio bello”, commenta Ruta.
I ricercatori hanno trovato che malgrado le due molecole abbiano poco in comune, sia il DEET sia l’eugenolo si legano allo stesso sito del recettore. Sito che risulta essere una tasca profonda, di forma geometrica semplice, rivestita da molti amminoacidi che facilitano interazioni deboli non particolarmente strette; per inserirsi al suo interno, DEET ed eugenolo sfruttano interazioni diverse. Il successivo lavoro con modelli computazionali ha mostrato che ciascuna delle due molecole era in grado di legarsi in numerosi orientamenti diversi; e che molti altri composti odorosi, anche se non tutti, possono legarsi al recettore in modo analogo. Non si tratta di un tipico meccanismo a chiave e serratura, ma di una serratura che accetta parecchie chiavi diverse.
Una serratura con molte chiavi. Gli animali hanno un repertorio finito di recettori olfattivi ma devono riconoscere un numero astronomico di odori. Per spiegare come i recettori hanno una simile flessibilità sono stati proposti vari meccanismi
Il recettore “effettua un riconoscimento della molecola più olistico, invece di individuare un qualche specifico carattere strutturale”, ha detto Ruta. “È proprio la logica chimica a essere diversa.”
Quando Ruta e il suo gruppo hanno introdotto cambiamenti nella tasca del recettore, hanno trovato che anche mutazioni che coinvolgono un unico amminoacido sono sufficienti ad alterarne le proprietà di legame. E ciò, a sua volta, è sufficiente a influenzare le interazioni del recettore con molti composti, riconfigurando totalmente la gamma di sostanze a cui esso risponde.
Allargando la tasca, per esempio, aumenta la sua affinità per il DEET, che è una molecola più grande, e si riduce l’affinità per l’eugenolo, che probabilmente non riesce più ad adattarvisi bene a causa delle sue dimensioni più ridotte. Questo genere di cambiamenti dovrebbe poi avere molti effetti a valle sull’intera gamma di riconoscimento degli odori dei recettori; che vanno però al di là di ciò che i ricercatori erano in grado di seguire.
Le osservazioni del gruppo possono forse spiegare come mai i recettori olfattivi degli insetti possano in genere evolvere così rapidamente, e presentare una marcata divergenza tra una specie e l’altra. In ciascuna specie di insetti potrebbe essersi evoluto “un particolare repertorio specifico di recettori, realmente ben adattato alla sua specifica nicchia chimica ambientale”, ha detto Ruta.
“Questo ci dice qualcosa di più, rispetto alla semplice idea che i recettori interagiscano in modo più o meno intenso con un bel po’ di ligandi”, osserva Datta. Un recettore costruito intorno a un singola tasca di legame, con un profilo di risposta che può essere reindirizzato anche da una minima modifica, potrebbe accelerare l’evoluzione perché consente di esplorare un’ampia gamma di repertori chimici.
L’architettura del recettore conferma anch’essa questa ipotesi. Ruta è colleghi hanno trovato che il recettore è costituito da quattro subunità proteiche legate in modo semirigido intorno al poro centrale del canale, disposte come i petali di un fiore. Solo la regione centrale deve obbligatoriamente essere conservata nel corso dell’evoluzione e della diversificazione del recettore: le sequenze genetiche da cui deriva il resto delle unità del recettore sono meno vincolate. Questa organizzazione strutturale ha permesso al recettore di subire un forte livello di diversificazione.
I minori vincoli evolutivi a livello del recettore impongono probabilmente importanti pressioni selettive a valle, sui circuiti neurali deputati all’olfatto: per decodificare i confusi modelli di attività del recettore il sistema nervoso ha bisogno di meccanismi efficaci. “In effetti, i sistemi olfattivi si sono evoluti in modo da partire da modelli di attivazione dei recettori arbitrari e poi dar loro un senso attraverso l’apprendimento e l’esperienza”, dice Ruta.
Interessante, e sconcertante, è però anche il fatto che il sistema nervoso non sembra essere fatto in modo da semplificarsi il compito. Una supposizione ampiamente diffusa fra gli scienziati era che tutti i recettori di un singolo neurone olfattivo fossero della stessa classe e che i neuroni per le diverse classi di recettori afferissero, per l’elaborazione, a regioni ben separate del cervello.
In due lavori anticipati in preprint lo scorso novembre (a prima firma , rispettivamente, ), però, due gruppi di ricercatori riferiscono che sia nelle mosche sia nelle zanzare i singoli neuroni olfattivi esprimono recettori di più classi diverse. “È una cosa davvero sorprendente, che dovrebbe accrescere ancora di più la diversificazione della percezione sensoriale”, suggerisce Barber.
I risultati del gruppo di Ruta non sono certo l’ultima parola sul funzionamento dei recettori olfattivi. Gli insetti si avvalgono di molte altre classi di recettori olfattivi basati su canali ionici, alcuni dei quali sono molto più complessi, e specifici, di quelli di M. hrabei. Nei mammiferi, poi, i recettori olfattivi non sono neanche canali ionici, ma appartengono a una famiglia di proteine affatto diversa.
“Questa è la prima struttura deputata al riconoscimento delle sostanze odorose mai determinata in un recettore, di qualsiasi specie. Ma probabilmente non è l’unico meccanismo per il riconoscimento di queste sostanze”, dice Ruta. “È solo una delle soluzioni al problema. È molto poco probabile che sia l’unica soluzione.”
Sia lei sia altri ricercatori pensano comunque che vi siano anche parecchi altri insegnamenti, di carattere più generale, da trarre dai recettori olfattivi di M. hrabei. Forte, per esempio, è la tentazione di immaginare che un meccanismo analogo possa valere per altri recettori cerebrali animali – da quelli che individuano neuromodulatori come la dopamina a quelli su cui agiscono vari tipi di anestetici – e di ragionare su “quanta imprecisione ‘si possono permettere'” dice Barber, che afferma: “È un affascinante modello con cui continuare a esplorare le interazioni di legame aspecifiche”.
Forse questo approccio – tenere conto della flessibilità dei legami – andrebbe preso in considerazione anche in altri contesti, aggiunge. Una ricerca pubblicata sui “Proceedings of the National Academy of Sciences”, per esempio, suggerisce che anche i canonici recettori a chiave e serratura dei canali ionici possano essere meno selettivi di quanto li consideravano gli scienziati.
Se molti tipi diversi di proteine si legano ai recettori attraverso interazioni deboli e flessibili entro qualche tipo di tasca, questo principio potrebbe servire a guidare la progettazione razionale di farmaci per varie malattie e condizioni, in particolare neurologiche. Come minimo, il lavoro di Ruta sul legame di DEET a un recettore olfattivo di un insetto potrebbe dare indicazioni su come realizzare repellenti mirati. “La zanzara è ancora l’animale più letale del pianeta”, a causa delle malattie che trasmette, osserva Ruta.
I suoi risultati chiariscono in effetti una discussione sul funzionamento del DEET che va avanti da più di mezzo secolo. Si tratta di uno dei repellenti contro gli insetti più efficaci, ma gli scienziati non hanno ancora capito perché: se per gli insetti abbia un cattivo odore, per esempio, o magari ostacoli la rilevazione dei segnali olfattivi. Il lavoro di Ruta e colleghi corrobora una teoria diversa, secondo cui il DEET confonderebbe gli insetti attivando un gran numero di recettori diversi e inondando il sistema olfattivo di segnali privi di senso.
“Il mistero del riconoscimento delle sostanze chimiche è ora una questione su cui possiamo ragionare alla luce della struttura”, ha detto Ruta. “La biologia strutturale, nei casi migliori, è bellissima e illuminante, e ha una straordinaria capacità esplicativa. Il mio laboratorio lavora molto su altri aspetti delle neuroscienze cellulari e dei sistemi, e pochissimi esperimenti hanno una capacità esplicativa pari alla determinazione delle strutture.”
Datta è d’accordo sull’approccio strutturale. “Penso proprio che sia il preannuncio di quello che verrà”, dice. “Il futuro sta qui.”
