Как насекомые различают разные сахара

В отличие от людей, у которых на языке один рецептор, способный распознавать все виды сладкого — от настоящего сахара до искусственных подсластителей вроде аспартама, — у насекомых множество рецепторов, каждый из которых настроен на определённый тип сахаров. Исследователи из Йеля раскрыли один из механизмов такой избирательности. Это понимание, по их словам, поможет узнать, как животные расшифровывают химический мир, и как мы могли бы воспроизвести эту способность в будущем.

Результаты опубликованы в журнале Nature.

Сахар важен как для животных, так и для людей, говорит Джоэл Баттервик, доцент фармакологии Йельской школы медицины и старший автор исследования.

«Мы все чувствуем вкус сахара. Это основной источник энергии практически для каждого животного», — сказал Баттервик.

Способность ощущать сладкое также необходима для идентификации питательных веществ и создания приятного ощущения, связанного с насыщением. В отличие от млекопитающих, насекомые также полагаются на свою вкусовую систему для обнаружения партнёров для спаривания и определения лучших мест для откладывания яиц.

Однако то, как насекомые обнаруживают конкретные сахара — различая молекулы, которые выглядят очень похоже, но имеют тонкие различия, — оставалось неясным. Чтобы лучше понять чувствительность вкусовых рецепторов насекомых, Баттервик и его команда сосредоточились на одном рецепторе, который настолько избирателен, что реагирует только на один тип сахара — D-фруктозу.

Этот рецептор, относящийся к лиганд-зависимым ионным каналам, находится во рту и мозге тутового шелкопряда. Он активируется только после присоединения своего лиганда — молекулы, способной с ним связываться.

Неожиданно исследователи обнаружили, что, хотя D-фруктоза — единственный сахар, активирующий этот рецептор, несколько других сахаров также могут с ним связываться.

«Это сказало нам, что область, где эти сахара присоединяются, связывающий карман, — не единственное, что определяет активацию, — сказал Баттервик. — Должно было быть другое объяснение. Поэтому мы хотели взглянуть на рецептор в атомном масштабе, чтобы детально увидеть, как взаимодействуют сахар и рецептор».

Команда определила структуру рецептора в одиночестве, а также рецептора, связанного с D-фруктозой. Они наблюдали, как D-фруктоза встраивается в связывающий карман и инициирует изменение формы, которое активирует рецептор.

Затем они определили структуру рецептора, связанного с сахаром, чрезвычайно похожим на D-фруктозу, — L-сорбозой. Хотя этот сахар, по-видимому, связывался с рецептором так же хорошо, как и D-фруктоза, он не менял форму рецептора, оставляя его неактивным. Разница между двумя сахарами оказалась не в том, как они присоединяются к связывающему карману, а в том, как они взаимодействуют с молекулярным «мостом», соединяющим связывающий карман с другой частью рецептора.

Короче говоря, D-фруктоза смогла задействовать этот мост и запустить изменение формы, а L-сорбоза — нет.

«Мы считаем интересным то, что взаимодействия, происходящие за пределами кармана, действуют как механизм отбора, — сказал Баттервик. — И эволюция, вероятно, работает над обоими аспектами. Например, менее специфичный рецептор может связывать больше молекул, или, возможно, его мост легче активировать. Имея несколько аспектов для воздействия, у эволюции больше способов тонкой настройки этих рецепторов».

Раскрытие механизмов, лежащих в основе того, как рецепторы распознают различные вещества, поможет исследователям понять, как обоняние и вкус позволяют людям и животным расшифровывать химический мир.

Это также может помочь в разработке биосенсоров, добавил он. Некоторые собаки могут чувствовать запах таких болезней, как рак или болезнь Паркинсона. Знание того, как рецепторы обоняния и вкуса различают вещества, поможет в создании «электронных носов», способных вынюхивать болезни.

«Люди уже пытаются это сделать. И хотя было несколько успехов, неудач было больше, — сказал Баттервик. — Наша работа может помочь объяснить, почему это было сложно. Дело не только в связывании интересующей молекулы. То, как активируется рецептор, также имеет важное значение».

В дальнейшем исследователи хотят изучить фармакологический потенциал этих рецепторов.

«В истории было бесчисленное множество случаев, когда решённая атомная структура прокладывала путь к крупным открытиям», — сказал Жуан Виктор Гомес, аспирант лаборатории Баттервика и ведущий автор исследования. Гомес родом из Бразилии, где в настоящее время наблюдается серьёзная вспышка лихорадки денге, с более чем миллионом случаев этого заболевания, переносимого комарами, зарегистрированных только в этом году.

«Если мы сможем модулировать рецепторы, влияющие на пищевое поведение насекомых, — сказал он, — возможно, мы сможем разработать лучшие стратегии борьбы с комарами, переносящими болезни».