嗅覺可以說是最被人們低估的感官。它其實可以看作一種化學檢測系統，我們通過嗅覺受體（OR）細胞來感知不同氣味。
不得不承認，我們的嗅覺似乎比不上其他很多生物。比如我們都知道，狗的嗅覺靈敏程度遠高於人類。OR細胞的遺傳密碼被稱為OR基因。與其他哺乳動物相比，我們的OR基因相當少。研究發現，我們只有約400個OR基因。在進化過程中，當我們的祖先開始直立行走，主要依賴視覺而非嗅覺來感知危險時，靈長類動物的OR基因就減少了。
但神奇的是，我們的嗅覺在很多方面也比我們以為的要強大得多。根據2014年一項研究估計，人們甚至可能有能力區分超過一萬億種氣味。
我們能檢測到的每一種氣味，都是由不同的氣味分子混合而成的。嗅覺受體的蛋白質在細胞表面與氣味分子結合，它們佔據了我們身體中最大、最多樣化的受體家族的半數。每種類型的氣味分子都可能被一系列的受體檢測到，這就好比在鋼琴上敲擊琴鍵彈出一個和弦。
在每次鼻子聞到新東西的時候，都會給大腦帶來一個謎題。一個最明顯的例子就是「草莓問題」（詳見《最被低估的感官是什麼？》）。我們都知道有一種「草莓的氣味」，它實際上是由20多種化學物質混合而成的。但當你聞到這種組合時，你的大腦並沒有在說「你聞到了這樣的、那樣的化學物質」，它只會說，這是「草莓味」。這也正是嗅覺的奇妙之處。
一直以來，研究嗅覺的科學家的夢想是繪製出數千種氣味分子與數百種嗅覺受體的相互作用的圖譜，讓化學家能夠設計並預測分子的氣味。
但是製作出這種圖譜很困難，它需要我們了解氣味分子和人類嗅覺受體是如何相互作用的。
近日，美國加州大學舊金山分校的科學家打破了我們對嗅覺理解的長期僵局，創造了第一幅分子水平的三維圖片，展示了氣味分子如何激活人類嗅覺受體，邁出了破譯嗅覺的關鍵一步。研究結果已於近日發表在《自然》上。
「乳酪味」是什麼味？
為了創造這幅畫面，研究團隊使用了一種叫作冷凍電子顯微術（cryo-EM）的成像技術，它可以讓研究人員看到原子結構，並研究蛋白質的分子形狀。
但是，在團隊能夠將結合氣味的嗅覺受體視覺化之前，他們首先需要提純足夠量的受體蛋白。嗅覺受體蛋白的製備是出了名地具有挑戰性，有人甚至認為這是不可能的任務。團隊希望尋找一種在人體和鼻子中都很豐富的嗅覺受體，認為這樣的受體更有望通過人工製備，並且同時還希望這種受體能檢測水溶性氣味。
他們最終選擇了一種叫作OR51E2的受體。這種受體會對丙酸鹽產生反應，正是這種分子帶來了瑞士乳酪的特殊氣味。
但事實證明，即使是OR51E2也很難在實驗室裡製備。典型的cryo-EM實驗需要一毫克的蛋白質來產生原子級的圖像。但最終，研究人員開發出了一種新方法，它克服了這一領域的數個技術難題，最終僅僅使用了1/100毫克OR51E2，就讓受體和氣味分子的快照到手了。
人的嗅覺受體結合丙酸鹽分子（圖中紅黃相間的部分）的計算機模型。（圖/UCSF）
這是首次看到氣味分子與人類嗅覺受體的連接。這張分子快照顯示，由於氣味分子和受體之間非常特殊的契合，丙酸鹽就好像緊緊粘在OR51E2上一樣。這一發現也支持了，嗅覺系統是我們身體面對危險的「哨兵」之一。
雖然丙酸鹽帶來了瑞士乳酪豐富的堅果香氣味，但就其本身而言，它的氣味卻沒那麼令人胃口大開。這種受體精準地感知丙酸鹽，並可能已經進化到幫助檢測食物何時變壞。研究人員推測，像薄荷醇這樣令人愉悅的氣味的受體，可能反而與氣味分子的相互作用更加鬆散。
除了一次使用大量受體外，嗅覺的另一種有趣的特性是，我們能夠檢測到非常細微的氣味，這些氣味可以轉瞬即逝。
為了研究丙酸鹽如何激活這一受體，研究人員使用基於物理學的方法來模擬OR51E2如何被丙酸鹽激活的，並製作成了電影。他們進行了計算機模擬，了解丙酸鹽如何在原子水平上導致受體的形狀變化。這些形狀變化在嗅覺受體如何開啟嗅覺細胞信號傳導過程中扮演著關鍵作用。
只需一聞
團隊現在正在開發更有效的技術來研究其他氣味分子和嗅覺受體對，更深入地了解與受體相關的非嗅覺生物學。這些受體還與前列腺癌和血清素的釋放有關聯。
他們認為這將重新點燃人們對嗅覺科學的興趣，並對香水、食品科學和其他方面產生影響。未來，人們或許可以根據對化學物質的形狀如何帶來感知體驗的理解，從而設計出新的氣味，就好像如今的藥物化學家會根據致病蛋白質的形狀來設計藥物一樣。
#創作團隊：
撰文：Takeko
排版：雯雯
#參考來源：
https://www.ucsf.edu/news/2023/03/424956/making-sense-scents
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00818-3
最被低估的感官是什麼？
#圖片來源：
封面圖&首圖：stocksnap.io
