Fortschritte bei der funktionellen Charakterisierung menschlicher Geruchsrezeptoren
Der Geruchsstoffrezeptor OR5K1 ist darauf spezialisiert, Pyrazine sowohl beim Menschen als auch bei domestizierten Tieren zu erkennen
Ein Team von Wissenschaftlern des Leibniz-Instituts für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München hat nun herausgefunden, dass der Geruchsrezeptor OR5K1 sowohl beim Menschen als auch bei domestizierten Tieren auf die Erkennung von Pyrazinen spezialisiert ist. Dabei handelt es sich um flüchtige Substanzen, die zum typischen Geruch vieler Gemüsesorten beitragen oder beim Erhitzen von Lebensmitteln gebildet werden. Darüber hinaus spielen Pyrazine auch als Signalstoffe in der intra- oder interspezifischen Kommunikation eine Rolle. Die neuen Forschungsergebnisse tragen zu einem besseren Verständnis der molekularen Mechanismen bei, die der Geruchswahrnehmung von Lebensmitteln sowie der olfaktorischen Kommunikation zugrunde liegen.
Labor am Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München: Dr. Patrick Marcinek analysiert Zellen mit einem Durchflusszytometer.
C. Schranner / Leibniz-LSB@TUM
Dr. Franziska Haag (l) und PD Dr. Dietmar Krautwurst vor dem Hochdurchsatz-Pipettier- und Messroboter (TECAN Fluent®). Mit dem Gerät untersuchen sie, auf welche Geruchsstoffe die menschlichen Geruchsrezeptoren reagieren.
Leibniz-LSB@TUM
Die Geruchswahrnehmung ist entscheidend für die Erkennung und Auswahl von Lebensmitteln sowie für den Genuss beim Essen. Das weiß jeder spätestens dann, wenn aufgrund einer verstopften Nase nichts mehr schmeckt. Die Wahrnehmung von Gerüchen beeinflusst auch das Verhalten vieler Tiere.
Für 80 Prozent ist das Geruchsspektrum unbekannt
Die Gene für die Rezeptoren, mit denen wir Gerüche wahrnehmen, sind seit über 30 Jahren bekannt. Doch trotz intensiver Forschung ist das spezifische Geruchsspektrum, das von etwa 80 Prozent der menschlichen Geruchsrezeptoren erkannt wird, noch unbekannt.
Neue Erkenntnisse auf diesem Gebiet könnten helfen, biobasierte "künstliche Nasen" zu entwickeln, mit denen sich zum Beispiel die sensorische Qualität und Authentizität von Lebensmitteln überprüfen lässt. Darüber hinaus könnten sie Einblicke in die physiologischen Funktionen dieser Rezeptoren geben, die über die sensorische Wahrnehmung von Lebensmitteln hinausgehen.
"Insbesondere Geruchsstoffe wie die Pyrazine sind in dieser Hinsicht interessant. Denn einige von ihnen prägen als Schlüsselgeruchsstoffe das typische Aroma von Lebensmitteln und spielen gleichzeitig als flüchtige Signalstoffe eine wichtige Rolle in der olfaktorischen Kommunikation von Tieren. Ein gutes Beispiel sind Wölfe, die über ihren Urin Duftbotschaften in ihrem Revier hinterlassen und es so markieren", sagt Teamleiter Dietmar Krautwurst.
Pyrazin mit Doppelfunktion
Trimethylpyrazin ist eine solche Substanz. Sie entsteht bei Röstprozessen, ihr Duft erinnert an Bratkartoffeln, geröstete Nüsse und Kakao. Es ist daher ein häufig verwendeter Aromastoff in der Lebensmittelindustrie. Auch im Urin von Füchsen und Wölfen ist dieser Stoff natürlich vorhanden und versetzt Mäuse in Alarmbereitschaft, sobald sie ihn riechen.
Welche der menschlichen Geruchsrezeptoren jedoch auf Pyrazine reagieren, war bisher unbekannt. Das Forscherteam nutzte daher ein am Institut etabliertes zelluläres Assay-System, um die Reaktionen von über 600 menschlichen Rezeptorvarianten auf Trimethylpyrazin zu untersuchen. Wie die Studienergebnisse zeigen, reagierte der Geruchsrezeptor OR5K1 als einzige der getesteten Varianten auf die Substanz. Eine Überprüfung des Rezeptors mit weiteren Geruchsstoffen zeigte, dass er selektiv 18 andere Pyrazine erkennt. Für den Test verwendete das Team neben anderen flüchtigen Stoffen 178 wichtige Geruchsstoffe, die das Aroma von Lebensmitteln prägen, darunter einige Pyrazine.
"Auffallend ist, dass jene Pyrazine, die den Rezeptor am stärksten aktivieren, sowohl als Lebensmittelgeruchsstoffe als auch als Signalstoffe im Tierreich fungieren", berichtet Franziska Haag vom Leibniz-Institut für Lebensmittel-Systembiologie an der Technischen Universität München, die zusammen mit ihrem ehemaligen Kollegen Patrick Marcinek maßgeblich an der Studie beteiligt war. Wie die Studienergebnisse auch zeigten, reagierten entsprechende (homologe) Geruchsrezeptoren von Haus- und Nutztieren, aber auch von Mäusen, ähnlich auf die getesteten Pyrazine wie der menschliche Rezeptor. "Wir gehen daher davon aus, dass sich das Erkennungsspektrum des OR5K1-Geruchsstoffrezeptors unter dem Einfluss der Domestikation entwickelt hat", erklärt Dietmar Krautwurst. Veronika Somoza, Direktorin des Leibniz-Instituts, ergänzt: "In Zukunft werden wir unsere einzigartige, umfangreiche Geruchsstoff- und Rezeptorsammlung am Institut nutzen, um die Funktion der menschlichen Geruchsrezeptoren zu entschlüsseln."
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