所有的感官都必须考虑到世界的丰富，但没有什么能与构成我们嗅觉的嗅觉系统所面临的挑战相匹配。我们的眼睛只需要三个感受器就能感知彩虹的所有颜色，这是因为不同的颜色以光波的形式出现，而光波只在一个维度上变化，即它们的频率。然而，与化学世界的复杂性相比，这个充满活力的彩色世界就显得苍白了。化学世界有数百万种气味，每种气味都由数百个分子组成，它们在形状、大小和性质上都有很大的不同。例如，咖啡的气味是由200多种化学成分混合而成的，每一种化学成分的结构都是不同的，而且它们本身闻起来都不像咖啡。
在一项新的研究中，Ruta和她的同事们通过提供嗅觉受体在工作中的分子视图，为几十年来的气味识别问题提供了答案。
发表在《自然》杂志上的研究结果表明，嗅觉受体确实遵循一种在神经系统的其他受体中很少见到的逻辑。虽然大多数感受器的形状都是精确地与少数几个选定的分子以锁和钥匙的方式配对，但大多数嗅觉感受器每个都与大量不同的分子结合。它们与各种气味配对的滥交性使每个受体对许多化学成分作出反应。从那里，大脑可以通过考虑受体组合的激活模式来识别气味。
嗅觉感受器是30年前发现的。但科学家们还不能真正近距离观察它们，并破译它们的结构和机械工作原理，部分原因是这些受体不适合常用的分子成像方法。更复杂的是，受体的偏好似乎没有规律或原因，单个气味受体可以对结构和化学成分不同的化合物做出反应。
Ruta实验室的博士后Josefina del Mármol说:“为了对气味识别有一个基本的了解，我们需要知道一个受体是如何识别多种不同的化学物质的，这是嗅觉系统如何工作的一个关键特征，也是一个谜。”
因此，Ruta和del Mármol以及实验室的研究助理Mackenzie Yedlin开始利用冷冻电子显微镜的最新进展来解决气味受体的结构问题。这项技术涉及到在冷冻标本上发射电子，可以在3D中显示极小的分子结构，直至单个原子。
研究小组转向了跳跃鬃尾虫，这是一种居住在地面的昆虫，其基因组最近被测序，只有五种嗅觉受体。虽然跳跃鬃尾的嗅觉系统很简单，但它的受体属于一个大家族，在成千上万种不同的昆虫物种中存在着数千万种变体。尽管这些受体各不相同，但它们的功能是一样的:它们形成一个离子通道——一个带电粒子通过的孔——只有当受体遇到目标气味时，离子通道才会打开，最终激活启动嗅觉的感觉细胞。
研究人员选择了OR5，这是一种来自跳跃鬃毛的受体，具有广泛的识别能力，对他们测试的60%的小分子有反应。
然后，他们单独检查了OR5的结构，并将其与一种化学物质结合，要么是丁香酚(一种常见的气味分子)，要么是避蚊胺(一种驱虫剂)。“我们从比较这三种结构中学到了很多，”Ruta说。“你可以看到的一件美丽的事情是，在未结合的结构中，孔是关闭的，但在与丁香酚或避蚊胺结合的结构中，孔已经扩大，为离子流动提供了途径。”
有了这些结构，研究小组仔细观察了这两种化学上不同的分子在哪里以及如何与受体结合。关于气味感受器与分子的相互作用，有两种观点。一种解释是，受体已经进化到可以通过对分子的部分特征(如其形状的一部分)做出反应来区分大范围的分子。其他研究人员提出，每个受体一次在其表面包装多个口袋，使其能够容纳许多不同的分子。
但鲁塔的发现并不符合上述两种情况。事实证明，避蚊胺和丁香酚在相同的位置结合，并完全适合受体内的一个简单的口袋。令人惊讶的是，排列在口袋里的氨基酸并没有与气味剂形成强大的、选择性的化学键，而是形成了弱键。然而在大多数其他系统中，受体和它们的目标分子是很好的化学匹配，在这里它们看起来更像是友好的熟人。Ruta说:“这些非特异性的化学相互作用使得不同的气味被识别出来。”“通过这种方式，受体对特定的化学特征没有选择性。相反，它是在识别气味更普遍的化学性质，”鲁塔说。
计算模型显示，同样的口袋可以以同样的方式容纳许多其他气味分子。
但是受体的混杂并不意味着它没有特异性，Ruta说。虽然每个受体对大量分子有反应，但对其他分子不敏感。此外，结合位点氨基酸的一个简单突变会广泛地重新配置受体，改变它喜欢与之结合的分子。后一项发现也有助于解释昆虫如何能够进化出数百万种气味受体，以适应它们所遇到的各种生活方式和栖息地。
Ruta说，这些发现可能代表了许多嗅觉受体。“他们指出了气味识别的关键原则，不仅在昆虫的感受器中，而且在我们鼻子中的感受器中，它们也必须探测和区分丰富的化学世界。”
