Третий параметр классификации молекул запаха – наличие или отсутствие в углеводной цепи функциональной группы, например атома кислорода в кетоне. Четвертая характеристика зависит от того, является ли структура углеводной цепи линейной, или же от нее отходит боковая группа, например фенольное кольцо. Пятым параметром служит хиральность молекулы, то есть отклоняется ли она от виртуальной оси симметрии вправо или влево. Шестая характеристика – геометрическая форма молекулы, например, углеводороды терпеновой группы могут иметь форму кольца. Заключительной, седьмой характеристикой является общий размер молекулы.

То, что обонятельная система может различать молекулы запаха, отличающиеся друг от друга даже на один атом, означает, что она обладает одним из наиболее чувствительных механизмов распознавания молекул в нашем организме. Для сравнения – наша иммунная система заметно отстает от обонятельной в точности распознавания – там антитело взаимодействует с антигеном, у которого может быть сразу несколько дюжин рецепторных молекул.

ГОНКА К ОБОНЯТЕЛЬНЫМ РЕЦЕПТОРАМ

Какой рецептор способен заметить даже малейшее отличие между молекулами и попутно проверить еще тысячи других? Ответ на этот вопрос был одной из величайших загадок науки. Первые предположения о его природе были выдвинуты специалистами химической промышленности, работавшими с органическими веществами. В основу их суждений легла теория о том, что некие характеристики позволяют молекулам взаимодействовать с неустановленным видом рецепторов. Эта теория со временем слилась с более обширной сферой исследований, занимающейся поиском соотношений «структура-свойство» (или «структура-активность») во взаимодействиях между молекулами. Эти исследования затем развились в поиск количественных отношений «структура-свойство» («QSAR») – сейчас это один из стандартных методов прогнозирования взаимодействий на молекулярном уровне, которым пользуются в числе прочих фармацевтические компании при разработке новых лекарственных препаратов.

Благодаря этим исследованиям нам открылась пугающе сложная структура молекул запаха и то, как они воспринимаются. С одной стороны, молекулы со схожими характеристиками – например, спирты, сложные эфиры и альдегиды – могут восприниматься схожим образом. С другой стороны, схожие молекулы могут восприниматься и абсолютно по-разному. Классический QSAR-подход привел в тупик.

Взяв за основу анализ формы молекул, биохимик из Оксфордского университета Джон Эймур предположил, что рецепторы настроены на форму молекул запаха, заложив таким образом основу стереохимической теории обоняния. В то же время белковый состав клеточной мембраны рецепторов по-прежнему оставался загадкой.

Первым прорывом стало биохимическое исследование израильского ученого Дорона Ланцета, когда-то бывшего одним из моих студентов. В 1985 году он произвел фурор в исследовании запахов, продемонстрировав, что молекулы запаха стимулируют фермент под названием аденилатциклаза, который выступает катализатором в образовании широко известной сигнальной молекулы под названием циклическая АМФ[33] (цАМФ). Мы уже знали, что цАМФ возникает при передаче сигнала от рецептора, который дает микротолчок так называемому G-белку[34]; эти рецепторы образовывают обширное семейство рецепторов, сопряженных с G-белками (GPCRs). Ланцет воспользовался своими знаниями, полученными в ходе обучения на иммунолога, и предположил, что для кодирования всех видов молекул запаха потребуется очень много разных рецепторов – от 100 до 10 000. Его предположение оказалось на удивление точным. Отталкиваясь от гипотезы еще одного из моих бывших студентов, Джона Кауера, и предшествовавшего их работам исследования Кьелла Девинга из Норвегии, Ланцет также предположил, что отношения между рецепторами и молекулами запаха будут иметь «комбинаторный» характер – один рецептор сможет взаимодействовать со множеством разных молекул, а одна молекула будет взаимодействовать с разными рецепторами.

Многие микробиологические лаборатории внезапно осознали, что развенчание загадки этих рецепторов превратилось в самую востребованную тему исследований в современной биологии; это и ознаменовало начало гонки. В кратчайшие сроки промежуточные «микротолчковые» молекулы обонятельного сигнала были клонированы, идентифицированы и классифицированы по своим фармакологическим характеристикам: G-белок, аденилатциклаза и белок, который образовывает активирующийся от цАМФ канал, пропускающий заряженные частицы, создающие электрический отклик. Впервые обонятельная реакция была задокументирована Стюартом Файрстайном, тогда еще студентом старших курсов в Беркли. Он зафиксировал электрический отклик самих ресничек обонятельных рецепторов. Это были потрясающие времена. Перед нами постепенно раскрывалась большая часть сигнального каскада.

В этом каскаде не хватало лишь одного элемента – рецепторов. Неоднократные попытки их идентификации неизменно заканчивались провалом. Исследователи почувствовали, что для открытия такого масштаба нужны ресурсы и данные крупной микробиологической лаборатории. Собственно, так и вышло.

ПРЕКРАСНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ

Постдокторант[35] Линда Бак работала в лаборатории при Колумбийском университете под руководством Ричарда Акселя, ведущего специалиста по микробиологии. К тому моменту она уже несколько лет вела ряд проектов по изучению эндокринных рецепторов и антител иммунной системы. Заинтересовавшись запахами, она стала читать о них; эта сфера исследований и проблематика изучения обонятельных рецепторов очаровали ее.

Определенный ген в клетке можно найти почти так же, как по одной фразе – целый текст в интернет-браузере. Крошечный фрагмент гена взаимодействует с целым и выдает его местоположение.

Несколькими годами ранее был изобретен метод инструментального исследования под названием полимеразная цепная реакция (ПЦР), благодаря которой можно было взять крошечный фрагмент гена и подвергнуть его воздействию любую ткань тела, где предполагалось наличие полного гена. Крошечный фрагмент гена («проба») выступал детектором как целого гена, так и аналогичных генов, если они там присутствовали; проба повышала концентрацию гена до уровня, на котором его можно было опознать, выделить и использовать запланированным образом. Вы и сами применяете метод поиска по «пробе», когда ищете какой-то конкретный фрагмент из всей мировой литературы. К примеру, вбив в Гугл запрос «Мы считаем очевидными следующие истины»[36], вы обнаружите полный текст Декларации независимости США (можете опробовать этот метод и на других фразах – он крайне эффективен). По сути, ПЦР был идеальным инструментом для охоты за неуязвимыми генами обонятельных рецепторов; просто до этого момента никто не пытался использовать его в этих целях.