Обоняние. Увлекательное погружение в науку о запахах: читать книгу онлайн полностью и бесплатно

Но задача от этого легче не стала. Даже сейчас, после расшифровки геномов человека и многих других видов животных, искать новое семейство генов, не имея никакой конкретной информации о них, – это целая проблема. Примерно как листать книгу с сотнями тысяч нуклеотидных последовательностей, не имея понятия, какие именно мы ищем и как их узнать.

Если даже на нынешнем этапе технологического развития открытие новой группы генов все еще дело трудное, 40 лет назад оно было практически безнадежным. Единственными доступными в тот период инструментами были биохимические, в том числе прямое наблюдение в лабораторных условиях на уровне белков. Такой подход обычно основан на физиологическом протоколе или бихевиоральных наблюдениях (например, обонянии запаха) и ищет ответственный за это явление белок.

Охота за новым рецептором обычно подразумевает несколько шагов. Прежде всего вам нужен надежный, быстрый и недорогой (в плане образцов) тест, способный измерить активность, а следовательно, наличие изучаемого рецептора. Скажем, лекарство или химическое вещество вообще вызывает наблюдаемую и измеряемую реакцию у индивидуума или изолированного органа. Далее вы маленькими порциями меняете структуру молекулы и смотрите, как это влияет на качество и интенсивность продуцируемого сигнала.

Говоря в общем, белок-рецептор сидит на мембране клетки (предположим, нейрона) и посылает внутрь нее информацию о присутствии посторонней молекулы. Задача экспериментатора – изолировать такой белок и изучить его характеристики. В некоторых случаях молекулу, узнанную белком-рецептором, используют как наживку, чтобы «выловить» рецептор: он связывается с веществом, и его удается изолировать от прочих химикатов и белков, содержащихся в смеси [2].

Примерно такие же техники использовались гораздо раньше для изучения ферментов. Фермент – это тоже белок, который, подобно рецептору, связывается с химическим соединением, но затем вступает с ним в реакцию, модифицирует структуру и выпускает продукт взаимодействия (см. рис. 21). Этот цикл можно повторять многократно с одной и той же молекулой фермента, причем с усилением эффекта – в данном случае химического выхода. Накопление больших количеств выходного продукта, полученных при помощи крошечных количеств фермента, делает изучение этих веществ сравнительно легким: относительно просто выдержать исходный ферментный субстрат достаточно долгое время, позволяя реакции идти своим чередом и дожидаясь той концентрации выхода, которую можно будет с легкостью измерить.

Когда простой и надежный метод, позволяющий определить присутствие фермента, наконец установлен, фермент нужно изолировать и очистить от грубого биологического экстракта путем фракционирования. В каждом таком случае мы получаем набор пробирок, содержимое которых затем анализируется на предмет наличия в нем искомого фермента. Те, в которых он есть, соединяются и подвергаются второму этапу очищения – и так далее, и так далее, пока не останется никаких других белков, кроме нашего фермента.

В случае с белком-рецептором процедура будет похожая, хотя найти способ определять наличие связывающего свой лиганд, но не производящего никакой реакции белка будет труднее (см. рис. 21). Было разработано несколько протоколов, но все они довольно сложны и при этом недостаточно точны. В классическом методе еще используются радиоактивно маркированные вещества, особенно когда лиганд – маленькая органическая молекула.

Рисунок 21. Разница между ферментами и рецепторами. Верхняя часть диаграммы показывает молекулы фермента (круги), которые обратимо связывают субстрат (треугольники) и превращают его в выходной продукт (эллипсы). Активность фермента легко измеряется посредством наблюдения за объемом выхода. В случае с рецептором не происходит никакой реакции (нижняя часть диаграммы). Связывающую активность можно измерить только после отделения белка от свободного лиганда. Если промаркировать лиганд, например, радиоактивной меткой, можно будет просто сравнить радиоактивность обеих фракций и оценить сродство лиганда и рецептора.

Раствор, содержащий рецептор, который мы хотим проанализировать, смешивается с радиоактивным лигандом до состояния равновесия. На этом этапе часть лиганда уже связана белком-рецептором, а часть остается свободной в растворе. Пропорция между двумя концентрациями зависит от сродства рецептора лиганду. Как же нам измерить концентрации свободных и связанных лигандов? Нужно прежде всего отделить свободный лиганд от связанного белком. Для этого применяются разные техники фракционирования по молекулярной массе. Свободный лиганд окажется во фракции с низкой молекулярной массой, а связанный отправится вместе с белком во фракцию с высокой. Такими методами ученые пользовались в конце 1970-х для идентификации и изоляции белков-рецепторов. Тогда их занимали в основном рецепторы гормонов (в особенности стероидов) и нейротрансмиттеров – такие как ацетилхолиновый или β-адренэргический.

Принимая гипотезу, что ольфакторные рецепторы, как и рецепторы всяких других молекул, являются белками, невольно задаешься вопросом: что же заставило биохимиков так долго чураться этой новой интересной области научного знания? Казалось бы, они вечно ищут новые идеи, новые неизведанные территории. Кто из них не мечтает первым открыть новую молекулу, закон физики или необычный физиологический эффект?

Основная причина заключалась, скорее всего, в том, что всякая новая область исследований означает огромный риск. На ученую братию постоянно давит необходимость публиковаться, чтобы в будущем иметь возможность запрашивать финансирование; для оригинальных новаторских проектов зачастую просто нет места. А при подаче на финансирование всегда важно заявлять проект, твердо стоящий на ногах и обещающий на выходе конкретные, практически применимые результаты. Новый проект, основанный исключительно на идеях, имеет исчезающе малые шансы получить деньги.

Ну и конечно, биохимики не торопились углубляться в сферу обоняния по той простой причине, что там все очень уж сложно устроено. Даже при тогдашних ограниченных знаниях опытные химики не могли не догадываться, что ольфакторная система – не чета простому зрительному коду и должна быть основана на огромном количестве рецепторов. А вот количество белков-рецепторов каждого типа, напротив, должно быть очень невелико. Таким образом, биохимики, желающие посвятить свою жизнь ольфакции, столкнулись бы с серьезной задачей – не только идентифицировать один-единственный специфический белок, присутствующий в крошечных количествах (заметно ниже порога чувствительности тогдашних инструментов и техник), но и сепарировать его от сотен других структурно схожих белков. Средств для решения такой задачи у науки не было.

Учитывая такое положение дел в конце 1970-х, отсутствие интереса к охоте на ольфакторные рецепторы на белковом уровне не должно никого удивлять. Фактически было предпринято всего несколько попыток, да и те оказались безуспешными. В любом случае результаты, полученные в единичных лабораториях, никто не повторил и не подтвердил, а вскоре они и вовсе утратили надежность и достоверность в глазах научного сообщества.

Сегодня, в свете новых знаний, полученных благодаря продвинутым техникам молекулярной биологии, задача эта для тех времен представляется совершенно безнадежной. Рецепторы мембраны составляют слой на поверхности клетки толщиной в одну молекулу, то есть количественно их гораздо меньше, чем белков внутри самой клетки. Вдобавок в одном образце ткани содержится очень много белков-рецепторов с очень похожими свойствами.

Помимо всех этих проблем, общих для рецепторов вообще и ольфакторных в частности, сама задача изолировать конкретный белок отнюдь не проста. Для этого нам нужно отделить его от огромного множества других белков с практически теми же химическими свойствами. Все белки представляют собой длинные цепочки, построенные из одних и тех же 20 кирпичиков-аминокислот, связанных друг с другом в линейную последовательность, постоянную и типичную для каждого белка. Иными словами, белки отличаются друг от друга длиной цепочки, а также пропорцией и расположением этих самых 20 аминокислот. Поскольку некоторые аминокислоты имеют электрический заряд, белки можно различать еще и по общему заряду, и вдобавок по размеру молекулы. Это две основные характеристики, позволяющие фракционировать белковую смесь. Если искомый белок – один из пропорционально малых компонентов смеси, его изоляция может оказаться делом довольно трудным и требовать фракционирования в несколько этапов.

Вторая проблема с ольфакторными рецепторами заключалась в отсутствии надежного функционального теста на их присутствие. К концу 1970-х рецепторов насчитывалось не так уж много. Для каждого был известен специфический лиганд, который сравнительно быстро и просто показывал наличие белка-рецептора еще на стадии изоляции.

А вот с ольфакторными рецепторами лиганды представляли большой вопрос. Всякая летучая молекула, способная добраться до нашей обонятельной слизистой, есть потенциальный одорант и кандидат в лиганды для ольфакторных рецепторов. Однако далеко не все одоранты порождают одинаково сильные обонятельные ощущения. Многие соединения пахнут очень слабо, другие – довольно интенсивно. Среди последних – пиразины с запахом сладкого перца, земляной геосмин и андростенон с его всепобеждающим едким запахом мочи [3].

Эти молекулы способны стимулировать наши рецепторы даже в исключительно низких концентрациях, а следовательно, являются самыми сильными лигандами – каждый для своего избирательного рецептора. Эти вещества, по логике вещей, должны быть более специфичными, чем остальные, и служить наживкой для отлова соответствующих им рецепторов. В самом начале пути наши биохимические исследования основывались именно на этой идее. Сами понимаете, как важно было на этом этапе иметь в своем распоряжении весь объем накопленной за предыдущие десятилетия информации с описанием запахов и ольфакторных порогов.

Увы, с главной проблемой – как изолировать один конкретный рецептор среди сотен белков того же класса – все оставалось по-прежнему. Нелегко было изолировать нужное количество даже у крупного животного – такого как свинья или корова. Простые подсчеты, основанные на площади ольфакторной области (даже предполагая, что эта область будет целиком покрыта белками-рецепторами), возвращают коэффициент примерно в сто микрограммов – это максимальное количество ольфакторных рецепторов в носу одного животного крупного размера. Далее эту цифру нужно поделить на предполагаемое количество типов ольфакторных рецепторов (более 300 у людей и ближе к 1000 у других животных, как выяснилось впоследствии) и так получить среднее количество для каждого типа рецептора. Любой опытный биохимик сказал бы вам, что задача эта совершенно нереалистична, и не стал бы и думать про инвестиции в такое неблагодарное исследование.

В поисках ольфакторных рецепторов

В те времена я был еще юн, неопытен (особенно в биологии, так как образование получил в неорганической химии) и совершенно лишен финансирования. Рисковать мне было нечем, а невежество не давало толком разглядеть, в какое абсурдное предприятие я намерен ввязаться. Если бы я только остановился на минутку и подумал о последствиях; если бы спросил авторитетного совета или провел более подробные предварительные исследования; если бы, наконец, был постарше и поопытнее, я бы наверняка не узнал тех волнительных и радостных мгновений, что выпали мне на долю в следующие 35 лет, – как не узнал бы и разочарований, провалов и неудач, верных спутников повседневной жизни ученого.

Короче, я пустился на поиск ольфакторных рецепторов. Первым делом нужно было найти многообещающий лиганд и использовать его в качестве наживки для белка. Выбирать такой химикат стоило среди самых сильных одорантов, основываясь на гипотезе, что интенсивный запах означает тесные отношения между лигандом и белком-рецептором.

Мой первый выбор пал на андростенон, стероид с запахом мочи, который мы уже неоднократно обсуждали. У этой молекулы исключительно низкий ольфакторный порог; к тому же она дает один из чистейших образцов избирательной аносмии – ее ощущает только половина народонаселения Земли, что само по себе требует для данного одоранта очень специфического рецептора. Андростенон – хорошо изученный половой феромон свиней; очевидно, для него должен быть свой рецептор у этого вида животных, и, скорее всего, не у него одного.

В общем, этот стероид выглядел как оптимальный выбор и обещал принести ожидаемые результаты.

В итоге карта и правда выиграла – но только гораздо позже, для Лесли Воссхолла, Хироаки Мацунами и их коллег, которые в 2007 году, ровно 30 лет спустя после первого сообщения о специфической аносмии к андростенону [4], сумели изолировать ольфакторный рецептор, сбой в котором и порождает этот обонятельный феномен [5].

В конце 1970-х андростенон, увы, оказался слишком крепким орешком для тогдашних аналитических инструментов и техник, что, впрочем, не помешало ему сыграть важную роль в событиях последующих лет, когда научные исследования и человеческие амбиции стали действующими лицами настоящего детектива с такими затейливыми сюжетными поворотами, что и во сне не приснятся.

Предполагалось, что количество рецепторов в ольфакторной слизистой даже таких крупных животных, как свинья или корова, ничтожно мало. Поэтому, дабы обеспечить нужный для эксперимента уровень чувствительности, ученые пользовались радиоактивно промаркированными лигандами. Таким способом они могли засечь количества искомого вещества в порядке до пикограмма (одной триллионной части грамма). Первым шагом должен был стать синтез прекурсора, который можно сделать радиоактивным в специальной лаборатории. Таким прекурсором стала сама молекула андростенона, которой можно придать двойную связь углерод-углерод и таким образом превратить в аналог, андростанон, очень близкий по структуре и запаху и помеченный двумя атомами радиоактивного водорода.

Вещество в продаже отсутствовало, и поэтому я решил синтезировать его сам через последовательность химических реакций, уже описанную в литературе. Все шло без сучка без задоринки, пока я не добрался до последней стадии – получения самого андростенона из лишенного запаха состава. Его получилось всего несколько миллиграммов, но и этого количества вполне хватило, чтобы наполнить все помещения в отделе отвратительной вонью. Тяжелый смрад застоялой мочи пропитал все лаборатории и дошел до рекреации, где мы с коллегами обычно собирались на кофе. Более того, он въелся в шерстяную ткань одежды, что неудивительно: андростенон намертво связывается с белками (а шерсть – это белок). Каждый сотрудник унес домой как минимум несколько молекул – достаточно даже для не самого тонкого обоняния, – что привело к целому ряду крайне неловких ситуаций. Гости, бывавшие у меня дома, наверняка решили, что регулярное мытье в привычки нашего семейства не входит.

После синтеза радиоактивной пробы из прекурсора лаборатория наконец смогла приступить к поискам… иголки в стоге сена. Стог представлял собой смесь сотен разных белков, выделенных из ткани, выстилающей назальные полости коровы и свиньи – их мы выбрали за большой размер и доступность биологического материала.