Как насекомые различают разные сахара

В то время как у людей есть один рецептор на языке, который может распознавать все виды сладкого, от настоящего сахара до искусственных подсластителей, таких как аспартам, у насекомых есть множество рецепторов, каждый из которых обнаруживает определенные типы сахаров. Исследователи из Йельского университета теперь обнаружили, как рецепторы насекомых могут быть настолько избирательными. По их словам, это открытие поможет нам понять, как животные расшифровывают химический мир и как мы могли бы имитировать эту способность в будущем.

О своих выводах они сообщили в исследовании, опубликованном в Природа.

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

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

Способность ощущать вкус сахара также важна для определения необходимых питательных веществ и создания ощущения удовольствия, которое сочетается с питанием. В отличие от млекопитающих, насекомые также полагаются на свою вкусовую систему, чтобы обнаружить партнеров для спаривания и определить лучшие места для откладывания яиц.

Но как насекомые обнаруживают определенные сахара – различая молекулы, которые очень похожи друг на друга, но имеют тонкие различия – остается неясным. Чтобы лучше понять чувствительность вкусовых рецепторов насекомых, Баттервик и его исследовательская группа сосредоточились на одном рецепторе, который настолько избирательен, что реагирует только на один тип сахара — D-фруктозу.

Рецептор находится во рту и мозгу шелкопряда. Как лиганд-зависимый рецептор, он активируется только после того, как его лиганд — молекула, способная с ним связываться — прикрепляется.

Неожиданно, хотя D-фруктоза является единственным сахаром, который активирует этот рецептор, исследователи обнаружили, что с ним связываются несколько других сахаров.

«Это говорит нам о том, что область, в которой эти сахара прикрепляются, — связывающий карман — не единственное, что определяет активацию», — сказал Баттервик. «Должно быть какое-то другое объяснение. Поэтому мы хотели посмотреть на рецептор на атомном уровне, чтобы детально увидеть, как взаимодействуют сахар и рецептор».

Команда нанесла на карту структуру только рецептора, а также рецептора, связанного с D-фруктозой. Они заметили, что D-фруктоза оказалась в связывающем кармане и инициировала изменение формы, которое активировало рецептор.

Затем они нанесли на карту структуру рецептора, когда он был связан с сахаром, очень похожим на D-фруктозу. Хотя этот сахар, L-сорбоза, действительно связывался с рецептором так же хорошо, как D-фруктоза, он не менял форму рецептора, оставляя рецептор неактивным. Разница между двумя сахарами заключалась не в том, как они прикреплялись к связывающему карману, а в том, как они взаимодействовали с молекулярным мостиком, который соединяет связывающий карман с другой частью рецептора.

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

«Что нам кажется интересным, так это то, что за пределами кармана происходят взаимодействия, которые действуют как механизм отбора», — сказал Баттервик. «И эволюция, вероятно, работает над обоими аспектами. Например, менее специфичный рецептор, чем этот, может связывать больше молекул, или, возможно, его мостик легче активировать. При наличии множества аспектов, на которые можно воздействовать, у эволюции появляется больше способов точной настройки». эти рецепторы».

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

Он также добавил, что это может стать основой для разработки биосенсоров. Некоторые собаки чувствуют запах таких заболеваний, как рак или болезнь Паркинсона. Знание того, как обонятельные и вкусовые рецепторы различают вещества, поможет развитию «электронных носов», способных выявлять болезни.

«Люди уже пытаются это сделать. И хотя было несколько успехов, было и больше неудач», — сказал Баттервик. «Наша работа может помочь объяснить, почему это было сложно. Речь идет не только о связывании интересующей молекулы. Также важно то, как активируется рецептор».

В дальнейшем исследователи хотят изучить фармакологический потенциал этих рецепторов.

«В истории было бесчисленное множество случаев, когда раскрытая атомная структура открывала путь к крупным открытиям», — сказал Жоау Виктор Гомеш, аспирант лаборатории Баттервика и ведущий автор исследования. Гомеш родом из Бразилии, где в настоящее время наблюдается серьезный всплеск лихорадки денге: только в этом году было зарегистрировано более миллиона случаев заболевания, передающегося комарами.

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