Schnappschuss des Geruchssinns

Was duftet beziehungsweise riecht, verströmt Moleküle. Von Flieder über Maiglöckchen bis zu Autoabgasen sind wir von Duftmolekülen umgeben. "Bevor Lebewesen in den Tiefen des Meeres sich hören oder sehen konnten, waren sie fähig, einander zu riechen", sagt Hanns Hatt, Professor für Zellphysiologie der Ruhr-Universität Bochum (die "Wiener Zeitung" berichtete). Der Duftforscher geht davon aus, dass erste Tiefsee-Bewohner sich an chemischen Signalen orientierten, und: "Es gibt so etwas wie eine Standleitung von der Nase zu den Gefühlen."

Was riecht, ist angenehm oder abstoßend und niemals egal. Die Aroma-Industrie floriert. Von exklusiven Parfums über appetitanregende Beduftungen an Bäckerei-Eingängen bis hin zu den mitunter verlockenden künstlichen Bouquets mancher Naschereien: Nicht Bilder, sondern Gerüche sind (fast) alles - man kann sich ihnen nicht entziehen. Duftmoleküle schweben die Nase empor zur Riechschleimhaut, treffen dort auf 30 Millionen Riechzellen und gelangen von da über Nervenfäden in das Gehirn.

Allerdings ist der Geruchssinn nur zum Teil verstanden. Die University of California (UCL) in San Francisco beleuchtet diese komplexe Fähigkeit auf neue Weise: Sie hat das nach eigenen Aussagen erste 3D-Bild der Aktivität eines Geruchsmoleküls erstellt und sichtbar gemacht, wie es eine Riechzelle zum Arbeiten bringt. Wie die Forschenden im Fachmagazin "Nature" berichten, sei dies "ein entscheidender Schritt in der Entschlüsselung des Geruchssinns". Freilich habe die Arbeit auch Implikationen für die industrielle Produktion von Geruchsstoffen und Nahrungsmittelaromen.

Jede Riechzelle erzeugt zahlreiche Geruchsrezeptor-Moleküle eines bestimmten Typs mit gleicher Proteinstruktur. Diese Proteine binden Geruchsmoleküle an die Oberflächen der Riechzellen. Sie zählen zur diversesten Familie von Rezeptoren. Der Mensch kann um die 300 unterschiedliche Geruchsrezeptoren bilden, Mäuse und Hunde sogar mehr als 1.000.

Schweizer Käse

"Eine Landkarte dieser speziellen Proteine ist ein lang gehegter Traum unseres Forschungsfelds", wird Studienautor Aashish Manglik, Assistenzprofessor für Pharmazeutische Chemie der UCL, in einer Aussendung zur Studie zitiert. Der "Traum" bestünde darin, die Interaktionen zwischen tausenden Geruchsmolekülen und hunderten Rezeptoren sichtbar zu machen, auch um vorhersagen zu können, wie neu kreierte Duftmoleküle riechen könnten.

Allerdings besteht jeder Geruch nicht aus bloß einem, sondern aus einer Mischung von Molekülen, von denen jedes gleich mehrere Rezeptoren in die Gänge bringt. Das Puzzle ist nicht klein: Jeder neue Duft stellt das Gehirn vor Rätsel. "Es ist, wie wenn einzelne Klaviertasten zu Akkorden kombiniert werden", erklärt Ko-Autor Hiroaki Matsunami.

Für ihren detaillierten Schnappschuss der Aktivität des Geruchssinns bedienten die Forscher sich der Kryo-Elektronen-Mikroskopie (Kryo-EM), die molekulare und sogar atomare Strukturen sichtbar macht. Da die Herstellung von Geruchsrezeptoren im Labor schwierig ist, suchten sie gleich nach einer Sorte, die sowohl im Körper als auch in der Nase häufig vorkommt. Sie entschieden sich für den Rezeptor OR51E2, der auf ein Molekül namens Propionat reagiert, das für das nussige Aroma von Schweizer Käse verantwortlich ist.

Für die Bilder in atomarer Auflösung wurde ein hundertstel Milligramm OR51E2 verwendet. "Dadurch konnten wir erstmals einen Blick darauf werfen, wie sich ein Geruchsstoff mit einem Geruchsrezeptor verbindet, und zwar in dem Moment, in dem ein Duft wahrgenommen wird", sagt Erstautor Christian Billesbøelle: Dank einer spezifischen Passung zwischen Geruchsstoff und Rezeptor hafte Propionat fest an OR51E2.

Der Befund stünde im Einklang mit der Aufgabe des Geruchssystems, vor Gefahren zu warnen. Denn Propionat trägt zwar zum Aroma von Schweizer Käse bei, ist aber für sich allein genommen weniger appetitlich. Sein Rezeptor OR51E2 "könnte sich entwickelt haben, um zu erkennen, ob Lebensmittel verdorben sind", erklärt Manglik.

Das Team hat zudem Computersimulationen durchgeführt, um zu verstehen, wie Propionat eine Formveränderung des Rezeptors bewirkt. Formveränderungen würden eine entscheidende Rolle dabei spielen, wie der Geruchsrezeptor den Zellsignalprozess einleitet, der zum Geruchssinn führt.