Транзистор в антенне мухи: Обонятельные рецепторы насекомых регулируют собственную чувствительность

Высокоразвитые антенны, содержащие различные типы обонятельных рецепторов, позволяют насекомым использовать ничтожные количества пахучих веществ для ориентации к ресурсам, таким как пища, места для откладки яиц или партнёры. Учёные из Института химической экологии Макса Планка в Йене (Германия) впервые экспериментально доказали на мутантных мухах, что исключительно чувствительная обонятельная система плодовых мушек — они способны обнаружить несколько тысяч молекул запаха на миллилитр воздуха, тогда как людям нужно сотни миллионов — основана на саморегуляции обонятельных рецепторов.

Даже меньшее количество молекул ниже порога ответа достаточно для усиления чувствительности рецепторов, а связывание молекул вскоре после этого запускает открытие ионного канала, который контролирует реакцию и поведение мухи при полёте. Это означает, что подпороговая стимуляция запахом повышает чувствительность рецептора, и если второй импульс запаха поступает в определённый промежуток времени, будет вызван нейронный ответ.

Чувствительное обоняние жизненно важно

Удивительно, как много плодовых мушек (Drosophila melanogaster) находят путь к гниющему яблоку. Известно, что насекомые способны обнаруживать малейшие концентрации молекул запаха, особенно феромонов, а также «сигналов пищи».

Дитер Вичер, Шеннон Олссон, Билл Ханссон и их коллеги искали ответ на вопрос, почему насекомые могут отслеживать молекулы запаха так легко и при таких низких концентрациях по сравнению с другими животными. Они сосредоточили внимание на белках обонятельных рецепторов в антенне — «носу» насекомых. Эти белки довольно молоды с эволюционной точки зрения, и их молекулярные компоненты могут быть основой высокочувствительного обоняния насекомых.

Рецепторная система Or22a-Orco

Обонятельные рецепторы насекомых образуют рецепторную систему, состоящую из собственно рецепторного белка и ионного канала. После связывания молекулы запаха рецепторный белок и ионный канал запускают нейронный электрический ответ. Этот механизм был недавно описан в рецепторной системе Or22a-Orco (Wicher et al., Nature 452, 2008; Sato et al., Nature 452, 2008). Помимо функционирования в качестве так называемых ионотропных рецепторов, которые обеспечивают поток ионов через мембраны после связывания молекул запаха, обонятельные рецепторы также вызывают внутриклеточные сигналы. Они стимулируют образование циклического аденозинмонофосфата (циклического АМФ или cAMP), который активирует поток ионов через ко-рецептор Orco. Однако роль и значение этого слабого и медленного электрического тока до сих пор были неясны.

Мутант Drosophila Orco mut

Мерид Н. Гетахун, аспирант из Эфиопии, и его коллеги провели многочисленные эксперименты на обонятельных нейронах Drosophila. Они вводили крошечные количества соединений, которые стимулируют, ингибируют или имитируют образование cAMP, непосредственно в сенсорные волоски, содержащие обонятельные сенсорные нейроны на антенне мухи. Исследователи тестировали реакцию мух на этилбутират, имеющий фруктовый запах, похожий на ананас, и измеряли активность в сенсорных нейронах с помощью стеклянных микроэлектродов. В качестве контроля они использовали генетически модифицированных плодовых мух, у которых ко-рецептор Orco был инактивирован.

«Тот факт, что эти мутанты больше не способны реагировать на cAMP или ингибирование/активацию ключевых ферментов, таких как протеинкиназа C и фосфолипаза C, показывает, что высокочувствительная обонятельная система у насекомых регулируется внутриклеточно их собственными обонятельными рецепторами», — говорит Дитер Вичер, руководитель исследовательской группы.

Комбинацию обонятельного рецептора и ко-рецептора Orco можно сравнить с транзистором, продолжает Вичер: слабого базового тока достаточно для высвобождения основного электрического тока, который активирует нейрон. Этот процесс также можно рассматривать как кратковременную память, расположенную в «носу» насекомого. Очень слабый стимул не вызывает ответа при первом появлении, но если он повторяется в течение определённого промежутка времени, то вызовет электрический ответ по принципу «один раз — не считается, а два — уже много».