美国加州大学旧金山分校的科学家们创造了第一幅分子水平的三维图像，显示了气味分子如何激活人类的气味受体，为深入了解嗅觉及其在香水和食品科学中的应用铺平了道路。这一突破使研究人员有可能通过了解气味分子和气味受体之间的互动来设计新的气味。

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该研究结果发表在《自然》杂志上，预计将重新点燃人们对嗅觉科学的兴趣，并对香水、食品科学等产生深远的影响。嗅觉受体是位于嗅觉细胞表面的蛋白质，与气味分子结合，构成了我们身体中最多样化和最广泛的受体家族的一半。对它们更全面的理解为各种生物过程中的新发现奠定了基础。

该研究的资深作者、药物化学副教授Aashish Manglik博士说："一段时间以来，这一直是该领域的一个巨大目标。他说，梦想是绘制数千种气味分子与数百种气味受体的相互作用图，以便化学家能够设计一种分子并预测它的气味。"

Manglik说："但是我们一直无法制作这种地图，因为如果没有图片，我们不知道气味分子与它们相应的气味受体如何反应。"

一张图片描绘了奶酪的香味，嗅觉涉及大约400个独特的受体。我们能检测到的数十万种气味中的每一种都是由不同的气味分子混合而成。每种类型的分子都可能被一系列的受体检测到，在每次鼻子闻到新东西的时候，都会给大脑带来一个难题。

杜克大学分子遗传学和微生物学教授、Manglik的亲密合作者Hiroaki Matsunami博士说："这就像在钢琴上敲击琴键以产生一个和弦。松南在过去20年里的工作重点是对嗅觉进行解码。了解气味受体是如何结合气味剂就可以从根本上解释了它是如何工作的。"

为了创建这幅图，Manglik的实验室使用了一种叫做低温电子显微镜（cryo-EM）的成像技术，它允许研究人员看到原子结构并研究蛋白质的分子形状。但是在Manglik的团队能够看到气味受体与气味分子的结合之前，他们首先需要提纯足够数量的受体蛋白。

气味受体是出了名的具有挑战性，有些人说不可能，在实验室里为这种目的制造。

Manglik和Matsunami团队寻找一种在人体和鼻子中都很丰富的气味受体，认为它可能更容易人工制造，而且还能检测水溶性气味。他们最终选择了一种叫做OR51E2的受体，这种受体对丙酸盐有反应--这种分子会带来类似瑞士奶酪的刺激性气味。

但事实证明，即使是OR51E2也很难在实验室里制造。典型的低温电镜实验需要一毫克的蛋白质来产生原子级的图像，但是共同第一作者Christian Billesbøelle博士，Manglik实验室的高级科学家，开发了只使用1/100毫克OR51E2的方法，使受体和气味剂的快照触手可及。

Billesbøelle说："我们通过克服长期以来扼杀该领域的几个技术难题实现了这一目标。这样做使我们能够在检测到气味的那一刻，首次看到气味剂与人类气味受体的连接。"

这个分子快照显示，由于气味剂和受体之间非常特殊的配合，丙酸盐紧紧地粘在OR51E2上。这一发现与嗅觉系统作为危险哨兵的职责之一相吻合。

虽然丙酸盐对瑞士奶酪丰富的坚果香味做出了贡献，但就其本身而言，它的气味却不那么令人胃口。

Manglik说："这种受体以激光为焦点，试图感知丙酸盐，并可能已经进化到帮助检测食物何时变坏。他推测，像薄荷或香菜这样令人愉悦的气味的受体可能反而与气味剂的互动更加松散。"

除了一次使用大量的受体外，嗅觉的另一个有趣的特点是我们能够检测到微小的气味，这些气味可以来去自如。为了研究丙酸盐如何激活这一受体，该合作项目邀请了希望之城的定量生物学家Nagarajan Vaidehi博士，他使用基于物理学的方法来模拟和拍摄OR51E2如何被丙酸盐打开。

Vaidehi说："我们进行了计算机模拟，以了解丙酸盐如何在原子水平上导致受体的形状变化。这些形状变化在气味受体如何启动导致我们嗅觉的细胞信号传导过程中起着关键作用。该团队现在正在开发更有效的技术来研究其他气味受体对，并了解与受体相关的非嗅觉生物学，这些受体与前列腺癌和肠道中的血清素释放有关联。"

Manglik设想了一个未来，在那里可以根据对化学品的形状如何导致感知体验的理解来设计新的气味，这与今天的药物化学家根据致病蛋白质的原子形状来设计药物并无不同。

他说："我们多年来一直梦想着解决这个问题。现在有了第一个立足点，第一次看到了嗅觉分子是如何与我们的气味受体结合的。对我们来说，这只是一个开始。"

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