Философия запаха. О чем нос рассказывает мозгу

Обширное семейство обонятельных рецепторов относится к еще более крупному семейству белков – так называемому семейству рецепторов, сопряженных с G-белком (GPCRs). GPCRs – надсемейство трансмембранных белков, задействованных в целом спектре важных биологических процессов, таких как зрение, регуляция иммунного ответа и обнаружение нейромедиаторов. Теперь мы знаем, что гены белков этого семейства составляют около 10 % генома млекопитающих. Однако значение этого семейства генов стало проявляться уже в конце 1980-х годов, когда молекулярный биолог Роберт Лефковиц из Университета Дьюка сообщил, что рецепторы адреналина и родопсин[102] имеют ряд общих высокоспецифичных структурных мотивов и могут быть частью более объемного семейства рецепторов[103]. Многие ученые надеялись, что обонятельные рецепторы, такие как GPCRs, позволят сделать несколько интересных генетических открытий. Эти надежды не просто оправдались – реальность превзошла их.

Благодаря принадлежности обонятельных рецепторов к этому семейству исследование обоняния стало одним из важнейших научных направлений. Структурные и функциональные характеристики обонятельных рецепторов сделали их великолепным образцом для исследований GPCRs. Оказалось, что к этому семейству относятся примерно тысяча белков у мыши и четыре сотни – у человека, что было выше всех все ожиданий. Для сравнения, самое крупное семейство GPCRs после обонятельных рецепторов – семейство рецепторов серотонина, и их число куда менее внушительно: тогда было известно чуть меньше дюжины, сейчас – пятнадцать. Другим интересным открытием, касающимся генетических характеристик только что обнаруженных рецепторов, было то, что они имели несколько важных аминокислотных мотивов, которые были и у других членов надсемейства. Кроме того, обонятельные рецепторы обладали дополнительными мотивами, общими для всех представителей семейства, но при этом чрезвычайно разнообразными. Иными словами, обонятельные рецепторы по функции и структуре отражали самые характерные свойства GPCRs, только в меньшем масштабе, и составляли при этом отдельное семейство. Учитывая, что примерно половина современных исследований по созданию лекарственных препаратов связана с воздействием на GPCRs, значение расшифровки молекулярного кода обонятельных рецепторов выходит далеко за пределы носа. На молекулярном уровне определение запахов не является чем-то особенным. Это простая модель[104].

Кроме того, генетический интерес к обонятельным рецепторам был связан со способом их обнаружения. Обоняние стало признанной частью основных направлений исследований в нейробиологии, поскольку доказало возможность успешного применения важнейшей генетической методики и даже расширило ее применение.

Гениальность Бак отразилась в методологии ее экспериментов, основанной на необычном применении полимеразной цепной реакции (ПЦР). Метод ПЦР использует естественный процесс репликации ДНК, в котором участвует фермент полимераза, синтезирующий копию нити ДНК с использованием пары праймеров. Праймеры – это короткие последовательности нуклеотидов, связывающиеся комплементарным образом с определенными участками геномных последовательностей. Эту процедуру можно воспроизвести многократно, повторяя реакционный цикл и получая искомые фрагменты генома в экспоненциально возрастающем количестве. Преимущество метода заключается в том, что он позволяет решать проблему недостатка генетического материала.

Немногие технологии оказали такое революционное влияние на науку, как метод ПЦР. Это изобретение Кэри Муллиса, удостоенного Нобелевской премии по химии в 1993 году, «буквально разделило биологию на две эпохи – до ПЦР и после ПЦР»[105]. В период, когда Бак защитила диссертацию и начала работать, ПЦР был сравнительно новым инструментом. «Я была очень возбуждена, когда выходили статьи с описанием ПЦР, – вспоминала Бак. – Я думала, что ПЦР откроет двери ко многим вещам. Как чудесное лекарство для микробиологических целей! Только подумайте, что позволил сделать первый микроскоп; люди могли смотреть и могли видеть. А для меня самое главное – это видеть!»

На первых этапах развития любой новой технологии возникают многочисленные проблемы с подбором материалов и определением ограничений метода. В то время не было очевидно, что ПЦР – лучший инструмент для обнаружения неизвестного семейства генов. Метод основан на естественном механизме копирования и амплификации (размножения) известных генетических образцов и позволяет получать достаточное количество материала для крупномасштабных генетических исследований. Но важное исходное условие для проведения ПЦР в том, что геномная последовательность, которую собираются размножать, уже известна хотя бы отчасти; однако в то время не были выявлены никакие геномные последовательности обонятельных рецепторов.