Биологи расшифровали ключевой элемент в механизме обнаружения запахов у мух и комаров

Биологи из Калифорнийского университета в Риверсайде с удивлением обнаружили, что сложная система обнаружения запахов у плодовой мушки Drosophila сильно зависит от одного конкретного обонятельного рецептора. Этот же рецептор существует у видов мух, повреждающих урожай, и комаров, переносящих болезни, что открывает возможность создания новых химических коктейлей для борьбы с вредителями и «невидимости» людей для комаров.

Исследователи под руководством Анандашанкара Рая, доцента молекулярной, клеточной биологии и биологии систем, опубликовали свои выводы 8 февраля в журнале Neuron.

Обонятельные рецепторы — это белки, покрывающие антенны и сенсорные придатки на головах плодовых мушек. Молекулы одорантов связываются с ними, как ключ с замком, активируя систему обнаружения запахов в мозге мухи и запуская поведение, такое как поиск спелых фруктов. Расшифровка этой системы была невероятно сложной, сказал Рай, потому что у мухи более 100 различных белков обонятельных рецепторов, которые передают сигнал в ещё более сложную схему обработки запахов в мозге.

В своих исследованиях Рай и его коллеги сосредоточились на одном обонятельном рецепторе, состоящем из двух субъединиц, называемых Gr21a и Gr63a. Этот рецептор стал мишенью, когда первоначальные эксперименты намекнули, что самое большое семейство рецепторов из семейства Odorant receptor не управляет привлечением мух к одорантам, называемым полиаминами и аминами, в тестовой камере. Эти химические вещества исходят из многих источников, включая спелые фрукты, что делает их важными сигналами для многих насекомых.

Их эксперименты определили рецептор Gr21a/Gr63a как виновника, потому что когда исследователи генетически или химически отключали этот рецепторный путь, мухи переставали привлекаться полиаминами.

«Идентификация этого рецептора сначала сбивала нас с толку, потому что в прошлых исследованиях его включение вызывало у мух отвращение, а не привлечение», — сказал Рай. «Но, к нашему удивлению, наши эксперименты показали, что привлечение к полиаминам происходило потому, что они действуют как ингибиторы рецептора».

Более того, исследователи обнаружили, что ингибирование не было эффектом «включения-выключения», а было градуированным. Таким образом, когда мухи двигались к более высоким концентрациям полиамина, ингибирование рецептора усиливалось, заманивая их к самым высоким концентрациям и помогая в поиске фруктов.

Исследователи также провели эксперименты с комарами, поскольку у них есть тот же рецептор. Однако их эксперименты показали, что рецептор у комаров функционирует противоположным образом, чем у мух: его активация запускает привлечение к одоранту.

В своих экспериментах исследователи проверили влияние полиамина под названием спермидин на реакцию комаров на запах человека — обнаружив, что он маскирует привлекательность этого запаха. Однако в дальнейших экспериментах они обнаружили, что спермидин не маскировал привлечение к человеческой руке.

«У человеческой руки есть гораздо больше, чтобы привлечь комаров, чем просто запах кожи», — сказал Рай. «Одним из самых сильных аттрактантов является температура тела. Мы поняли из наших экспериментов, что, хотя спермидин может сделать сам по себе запах кожи менее привлекательным, сам по себе он не эффективен как маскирующее средство для поведения комаров по отношению к человеческим целям. Возможно, потребуются дополнительные вещества, которые могут блокировать механизм восприятия человеческого тепла или влажности. Тем не менее, это ценный шаг вперед к созданию такой смеси», — добавил он, отметив, что такой коктейль из натуральных химических веществ может быть безопаснее широко используемого репеллента ДЭТА.

В лаборатории Рай и его коллеги работают с тремя основными видами комаров, переносящих болезни: комарами Anopheles, которые могут передавать малярию; Aedes aegypti, которые могут передавать вирусы желтой лихорадки, денге и Зика; и Culex, которые могут передавать вирус Западного Нила.

Рай сказал, что их открытия также привели к более глубокому пониманию того, как система обнаружения запахов обрабатывает сигналы от сложных смесей одорантов, которые муха обнаруживает в природе. Исследователи обнаружили, что запах, который ингибировал рецептор углекислого газа, но был неприятен для мух, становился аттрактантом, когда они повышали уровень CO₂ в окружающей среде, который обнаруживается рецептором Gr21a/Gr63a.

«Раньше мы думали о запахах, как о клавишах на пианино, — объяснил Рай. — Когда вы нажимаете больше клавиш одновременно, вы получаете аддитивную смесь тонов. Но мы показываем, возможно, впервые, что комбинация одорантов не обязательно является аддитивной. Она может в итоге давать результат, представляющий собой вычитание». Такие фундаментальные идеи, сказал Рай, найдут применение во всей области сенсорного восприятия, даже в исследованиях на людях.

В дальнейших исследованиях Рай и его коллеги продолжат изучать механизм обнаружения запахов у комаров, в поисках натуральных химических веществ, которые можно было бы использовать в продуктах, чтобы сделать комаров нечувствительными к людям. Они также расширят свои исследования на безвредную плодовую мушку Drosophila melanogaster до сельскохозяйственных вредителей, таких как пятнистокрылая дрозофила (Drosophila suzukii), которая поражает ягоды и косточковые фрукты, такие как персики и виноград.