با وجود اینکه بویایی یکی از حواس کلیدی ما انسان‌ها می باشد، مکانیسم‌های مولکولی و شیمی آن هنوز به‌خوبی درک نشده‌اند. میسون ویکلی به بررسی نظریه‌های مختلف درباره عملکرد بینی انسان پرداخته است. دانشمندان هنوز به طور کامل نمی‌دانند حس بویایی چگونه کار می‌کند، با اینکه این یکی از حس‌های بنیادی انسان است.

حس بویایی چگونه کار می‌کند؟

تحقیقات جدید نشان می‌دهد که بویایی احتمالاً ترکیبی از عوامل مختلف – از جمله شکل گیرنده، ویژگی‌های مولکولی، مخلوطی از مواد شیمیایی و احتمالاً محصولات تجزیه – را درگیر می‌کند؛ پیشرفت‌هایی در تصویربرداری از گیرنده‌ها و محاسبات از این ایده حمایت می‌کنند، هرچند مدل کاملی هنوز به دست نیامده است.

دانشمندان هنوز نمی‌دانند چگونه بو می‌کنیم

با اینکه بویایی یک حس اساسی است، دانشمندان هنوز به‌طور کامل نمی‌دانند این حس چگونه عمل می‌کند. چندین نظریه رقیب وجود دارند و هیچ‌کدام قادر به توضیح کامل نحوه تشخیص و تمایز بوها توسط انسان نیستند.

شرکت‌های عطرسازی نیز به دنبال ورود به دنیای بوهای مجازی هستند تا شیوهٔ تبلیغ عطرهای جدید به مشتریان را گسترش دهند. حتی برخی استارت‌آپ‌ها به دنبال راه‌هایی برای تبدیل بوها به کد دیجیتال هستند تا رایحه‌های بهتری طراحی کنند یا توانایی حسگرها در تشخیص سیگنال‌های خاص را بهبود بخشند.

نظریه کلاسیک شکل

مدل سنتی شکل پیشنهاد می‌دهد که مولکول‌های بو بر اساس ساختار خود به گیرنده‌ها متصل می‌شوند. با این حال، ناسازگاری‌هایی مانند مولکول‌هایی با شکل مشابه اما بوی متفاوت، محدودیت‌هایی برای این نظریه ایجاد کرده است. نظریهٔ شکل (یا نظریهٔ شکلی) با مشاهدهٔ این موضوع که مولکول‌های دارای گروه عاملی مشابه معمولاً بوی یکسانی دارند، همخوانی خوبی دارد. برای مثال، استرها بوی میوه می‌دهند، ترکیبات گوگردی بوی تخم‌مرغ گندیده دارند و مولکول‌های سیانور بوی بادام تلخ را در اتاق پخش می‌کنند.

مثال‌های شکل و بو

• استرها معمولاً بوی میوه‌ای دارند
• ترکیبات گوگردی بوی تخم‌مرغ می‌دهند
• مولکول‌های سیانید بوی بادام تلخ ایجاد می‌کنند

گیرنده‌ها سیگنال‌هایی را به پیاز بویایی ارسال می‌کنند، که زیر مغز قرار دارد و این سیگنال‌ها را قبل از ارسال به مناطق دیگر مغز، پردازش می‌کند. این مناطق شامل هیپوکامپوس، آمیگدالا و قشر اوربیتوفرونتال هستند که احساسات و حافظه را مدیریت می‌کنند، به همین دلیل یک بو می‌تواند خاطره یا احساس پنهانی را فعال کند.

در حالی که مدل قفل و کلید ممکن است برای بسترهای آنزیمی به‌خوبی کار کند، اما برای توضیح بوی همهٔ مولکول‌ها چندان موفق نبود. برای مثال، مولکول‌هایی که از نظر شکل تقریباً یکسان هستند می‌ت‎وانند بوی کاملاً متفاوتی داشته باشند، مانند استریوایزومرهای R-کاروون و S-کاروون که به ترتیب بوی نعناع فلفلی و دانهٔ زیره می‌دهند. به همین ترتیب، در حالی که هیدروکربن کامفان بوی کافور خاکی دارد، دکابوران – با ساختاری بسیار مشابه اما با اتم‌های بور به جای کربن – بویی شبیه گوگرد تخم‌مرغی می‌دهد.

محدودیت‌های مدل قفل و کلید

انسان‌ها می‌توانند بیش از ده هزار بو مختلف را تشخیص دهند، اما به نظر نمی‌رسد که بینی انسان دارای همان تعداد گیرنده اختصاصی باشد. بنابراین جان آموور در سال 1963 پیشنهاد داد که تنها هفت بوی اصلی وجود دارند: کامفوره، مشک، گلی، نعناع، اتر، تند و متعفن. اکثر بوها از ترکیب این هفت بو با نسبت‌های مختلف تشکیل می‌شوند.

با این حال، مدل قفل و کلید نمی‌تواند تمام تفاوت‌ها را توضیح دهد. برای مثال، دو ایزومر R و S کاروون به ترتیب بوی نعناع و زیره می‌دهند. همچنین، کامفان بوی خاکی می‌دهد، اما دکابوران با ساختار مشابه اما با اتم‌های بور به جای کربن، بوی تخم‌مرغ گوگردی می‌دهد.

مثال دیگر

مولکول‌هایی با ساختار کاملاً متفاوت به ترتیب از چپ به راست مانند موسکون، مشک زایلن، گالاکسولاید و هلووتولاید، همگی بوی مشابه مشک دارند و گیرنده یکسانی را فعال می‌کنند. این ناهماهنگی‌ها باعث شد دانشمندان به دنبال توضیح دیگری برای حس بویایی باشند.

نظریه ارتعاشی

به جای نظریه شکل، برخی دانشمندان پیشنهاد کردند که گیرنده‌های بینی ما حرکات مولکولی (ارتعاشات) را تشخیص می‌دهند.

لکا تورین، یکی از مدافعان نظریه ارتعاشی، می‌گوید که ایده تشخیص بو از طریق ارتعاشات به دهه 1920 بازمی‌گردد. در آن زمان، برای شناسایی مولکول‌ها از طیف‌سنجی مادون قرمز (IR) استفاده می‌شد. شیمیدانان متوجه شدند که هر مولکول در محدوده 500 تا 1500 cm⁻¹ اثر انگشت منحصر به فرد دارد و گروه‌های عاملی در محدوده بالاتر از 1500 cm⁻¹ سیگنال‌های مشخص خود را دارند.

تورین توضیح می‌دهد که گیرنده‌ها ابتدا الکترون‌ها را از یک دهنده بیولوژیکی مانند NADPH دریافت می‌کنند. وقتی مولکول بویایی وارد گیرنده می‌شود، الکترون‌ها انرژی خود را از دست داده و ارتعاشات مولکول تحریک می‌شوند. این فرآیند سیگنال منحصر به فردی برای هر مولکول تولید می‌کند. با این حال، نظریه ارتعاشی نمی‌تواند تمام تفاوت‌ها، مانند بوهای ایزومرهای مشابه، را توضیح دهد.

کشف گیرنده‌های GPCR

در سال 1991 ، ریچارد اکسل و لیندا باک مجموعه‌ای از ژن‌ها را کشف کردند که کد گیرنده‌های بویایی G protein-coupled receptors (GPCRs) را می‌دهند. آن‌ها با استفاده از موش‌ها نشان دادند که بوها چگونه از سلول‌های بینی به مغز منتقل می‌شوند و پروتئین‌های متعدد را شناسایی کردند. این کشف منجر به جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی 2004 شد.

مطالعات نشان داد که انسان‌ها حدود 400 گیرنده فعال بویایی دارند، که حدود 2 تا 5 درصد ژنوم انسان را تشکیل می‌دهند، بزرگترین خانواده ژنی در انسان.

بازگشت نظریه شکلی و نظریه ارتعاشی

یافته‌های GPCR باعث شد نظریه شکل دوباره مورد توجه قرار گیرد، اما هنوز توضیح کاملی برای حس بویایی نبود. لکا تورین و دیگران نظریه ارتعاشی را احیا کردند و مدل انتقال الکترون غیرالاستیک را مطرح کردند. این مدل توضیح می‌دهد که چگونه ارتعاشات مولکولی سیگنال‌های متفاوت ایجاد می‌کنند.

بررسی بو با ایزوتوپ‌ها

تفاوت بو بین مولکول‌های ایزوتوپی (مثل جایگزینی هیدروژن با دوتریوم) روش مهمی برای آزمون نظریه ارتعاشی شد. ارتعاشات با جرم کاهش یافته پیوندها نسبت معکوس دارند؛ بنابراین مولکول‌های دوتریومی باید بوی متفاوتی داشته باشند. برخی مطالعات نشان دادند که حشرات و ماهی‌ها می‌توانند این تفاوت‌ها را تشخیص دهند. با این حال، تحقیقات انسانی نتایج قطعی ارائه نکرده و برخی شواهد نظریه ارتعاشی را زیر سوال برده‌اند.

کرایو-EM یا Cryo-EM و ساختار سه‌بعدی گیرنده‌ها

با اینکه نظریه شکل و ارتعاش نمی‌توانند به‌تنهایی حس بویایی را توضیح دهند، دانشمندان به بررسی 3D گیرنده‌ها روی آوردند. گیرنده‌ها شامل دو نوع هستند: کلاس I: گیرنده‌های کربوکسیلیک اسیدها (بوهای محلول در آب) و کلاس II: گیرنده‌های هیدروفوبیک (بوی سایر ترکیبات).

استفاده از کرایو-EM باعث شد تنها با 10 میکروگرم نمونه پروتئین، ساختار گیرنده‌ها قابل مشاهده شود. در سال 2023، تیم Matsunami نشان داد که پروپیونات چگونه گیرنده OR51E2 را فعال می‌کند. اتصال مولکول باعث چرخش یک هلیکس ترانس‌ممبران شده و گیرنده را فعال می‌کند و شامل پیوندهای یونی، هیدروژنی و تعاملات هیدروفوبیک می‌شود.

نقش ترکیبات و متابولیت‌ها

مطالعات جدید نشان می‌دهند که بو تنها به شکل مولکول بستگی ندارد؛ ویژگی‌های شیمیایی، محصولات تجزیه و ترکیب مولکول‌ها نقش مهمی دارند. بوهای روزمره مثل نان یا قهوه نتیجه ترکیب صدها ماده شیمیایی هستند.

آینده حس بویایی

درک بهتر حس بویایی می‌تواند منجر به طراحی رایحه‌های بهتر، حسگرهای شیمیایی پیشرفته و فناوری واقعیت مجازی با تجربه بویایی واقعی شود. همچنین می‌تواند عملکرد سگ‌های آموزش‌دیده برای تشخیص مواد مخدر، بیماری‌ها و مواد منفجره را بهبود بخشد. کامل شدن دانش ما درباره حس بویایی، کاربردهای عملی زیادی دارد.

نتیجه گیری

به‌طور خلاصه، درک کامل اینکه چگونه گیرنده‌های بینی مولکول‌ها را تشخیص می‌دهند هنوز در حال توسعه است. ترکیبی از شکل، ساختار ارتعاشی و متابولیت‌ها احتمالاً سیگنال منحصر به فردی برای هر بو ایجاد می‌کند. بنابراین دفعه بعد که گل‌ها را بو می‌کنید – چه در دنیای واقعی و چه در واقعیت مجازی – به پیچیدگی شیمی زیر بینی خود فکر کنید.