Gubi li njuh važnost u evoluciji čovjeka? Njuh i korona. Umjetni mirisi i mirisi prošlih vremena

Mehanizam osjeta mirisa istražen je slabo, no uzme li se u obzir da 'izdanci' u olfaktornoj sluznici predstavljaju jedan od izravnijih kontakata našeg središnjeg živčanog sustava s okolinom, gubitak mirisa u koroni više ne izgleda tako benigno, piše Tamara Čačev. Istraživanja mirisa važna su u prehrambenoj i kozmetičkoj industriji, ali i u kulturnoj povijesti: UNESCO je angažiran na zaštiti mirisa kao nematerijalne baštine, poput jezika i običaja, jer su i oni dio našeg identiteta.

• Naslovna ilustracija: Plakat filma Parfem prema slavnom romanu Patricka Süskinda

• dr. sc. Tamara Čačev viša je znanstvena suradnica u Zavodu za molekularnu medicinu Instituta Ruđer Bošković. Čačev je također članica Savjeta Ideje.hr

Malo tko nije pročitao Süskindov Parfem ili barem pogledao istoimeni film. Iako pomalo kontroverzna i enigmatična, kao i sam autor, novela daje fascinantnu prispodobu kako izgleda život vođen ekstremnim sposobnostima jednog osjeta.

Njušne sposobnosti čovjeka su dakako daleko inferiornije u odnosu na literarnu fikciju ali i u odnosu na većinu kralježnjaka, no i takve nam služe da bolje doživimo okus hrane ili da se klonimo neugodnih mirisa koje evolucijski povezujemo s nepoželjnim svojstvima onoga što taj miris emanira, poput pokvarene hrane. S druge pak strane trošimo prilične iznose na parfeme kojima stvaramo osjećaj ugode. No, često također stvaramo sjećanja jer su asocijacije koje vezujemo uz neke mirise izrazito moćne i mogu nas u trenutku prebaciti u neko drugo vrijeme i raspoloženje a to je tajna uspjeha parfemske industrije. Empirijski je utvrđeno da nemamo svi istu sposobnost osjeta i razlučivanja mirisa. Ona je dijelom genetski predodređena ali se može i ‘utrenirati’, dok rijetki sretnici s izraženim njušnim sposobnostima mogu od njih i živjeti kao cijenjeni profesionalci, budući da se radi gotovo o umjetnicima poput osoba s apsolutnim sluhom.  S druge pak strane gubitak njuha može biti i rani indikator neurodegenerativnih bolesti poput Parkinsonove i Alzheimerove bolesti.

U kralježnjaka osjetilni sustavi funcioniraju po sličnom obrascu. Senzori na periferiji registriraju podražaje iz okoliša koje se zatim prenose u više senzoričke centre u mozgu gdje se oni procesiraju te se iz njih izvlači kompleksna osjetilna informacija. I dok smo tijekom proteklog stoljeća razjasnili kako funkcionira osjet vida odnosno kako se informacija s tri vrste fotoreceptora integrira u konačni smisleni signal koji naš mozak prepoznaje i može po njemu djelovati, osjet njuha, iako je načelno jasno kako vrlo vjerojatno djeluje po sličnom principu, nije do današnjeg dana u potpunosti rasvijetljen.

Njuh, iako možda nije među najvažnijim osjetima za ljudsku vrstu, ipak nije irelevantan, u što su se nažalost uvjerili mnogi koji su ga tijekom pandemije izgubili.

Za razliku od okusa gdje imamo tek nekoliko karakterističnih tipova koje uobičajeno lako raspoznajemo i imenujemo, kod mirisa su stvari puno kompliciranije. Naš nos je zapravo sofisticirani kemodetektor koji u realnom vremenu monitorira okoliš. Mirise možemo percipirati na dva osnovna načina, udisajem kroz nos (ortonazalna precepcija) i u slučaju hrane tijekom njezinog žvakanja u ustima kada dolazi do otpuštanja mirisnih molekula koje zatim do olfaktornog epitela nosa dolaze kroz ždrijelo tijekom izdisaja (retronazalna percepcija). Kako je moguće da smo u stanju raspoznati na tisuće, a prema nekim novijim spoznajama čak i milijune različitih mirisnih molekula i njihovih kombinacija iako nemamo senzor (receptor) za svaku jer to naprosto ne bi bilo ekonomično. To nije samo kuriozitet biologije nego i vrlo realan izazov koji se pojavljuje u industriji hrane i kozmetike u kojima se olfaktorne molekule trebaju barem donekle usustaviti u široke skupine prema tipu osjeta kakav izazivaju te zatim sustavno opisati u vidu recepture i reproducirati.

U percepciji mirisa sudjeluju dva fiziološka sustava, olfaktorni sustav u užem smislu te nazalni trigeminalni sustav (Slika 1). Olfaktorni sustav u užem smislu predstavlja ofaktorna zona koja se nalazi na vrhu nosne šupljine a radi se o olfaktornoj sluznici površine 5 cm² u svakoj nosnoj šupljini. Tu se nalazi između deset i trideset milijuna olfaktornih receptorskih stanica od kojih svaka ispoljava na površini samo jedan od oko 350 (što je tek informirana procjena) olfaktornih receptora koji su još uvijek aktivni u našoj vrsti. Ova stanica, zapravo olfaktorni neuron, s jedne strane daje izdanke (cilije) prema površini nosne sluznice gdje stupa u kontakt s mirisnim tvarima, a s druge stvara živčano vlakno koje ide do olfaktornog bulbusa u mozgu otkud se signal dalje prenosi u subkortikalne i kortikalne regije mozga gdje ide njegovo procesiranje i prepoznavanje mirisa.

Slika 1. Prikaz olfaktornog sustava u užem smislu (A) te položaj trigeminalnog živca (B). Preuzeto iz DLG Expert report 1/2017 Panel training on odour and aroma perception for sensory analysis.

Olfaktorni bulbus zapravo predstavlja moždani ‘izdanak’ i mjesto gdje počinje procesiranje mirisa u središnjem živčanom sustavu. Iz toga proizlazi kako ovaj put predstavlja jedan od izravnijih kontakata našeg središnjeg živčanog sustava s okolinom te gubitci njuha vezani uz koronu u ovom kontekstu ne izgledaju više tako benigno.

Osim olfaktorne regije u nosnoj se sluznici nalazi i nazalni trigeminalni sistem putem kojeg trigeminalni živac (živac koji inervira lice), prenosi osjet hladnog i oštrog/ljutog/vrućeg u nosu i usnoj šupljini. U ovom sustavu u osjetu mirisa ne sudjeluju posebne senzorske stanice nego slobodni krajevi živčanih stanica stvaraju tu percepciju.

Mnoge mirisne tvari poput kiselina (ocat), oštrih mirisa (izotiocijanat iz senfa, propanetial-S-oksid iz luka) zatim tvari koje izazivaju pseudohladeći učinak poput mentola ili ulja eukaliptusa okidaju oba ova sustava, dok primjerice vanilija okida samo olfaktorni, a ugljikov (IV) oksid samo trigeminalni sustav.

U fiziološkom smislu, prijenos signala osjeta njuha je zapravo kemo-električne prirode budući da su mirisne tvari kemijske molekule čiji se signal zatim pretvara u električni impuls u živčanim stanicama. Olfaktorne stanice su zapravo posrednici, svojevrsni prevoditelji kemijskog jezika u električni impuls koji se dalje prenosi u živčani sustav. Svaka stanica ima jednu vrstu receptora, no mirisne tvari se mogu vezati na nekoliko tipova receptora koji prepoznaju njihovu i srodne strukture.

Na taj način mirisna tvar okida više mirisnih stanica iz kojih se zatim elektični signal prenosi do olfaktornog bulbusa u kojem se različiti ‘obrasci’ okinutih stanica integriraju u kompleksniju informaciju koju zatim mozak razvrstava u određeni tip mirisa. Zatim kroz vezu s prošlim iskustvima i sjećanjima dolazi do njegovog prepoznavanja. Iz ovog proizlazi da u slučaju mirisa koji se sastoje od većeg broja mirisnih tvari dolazi do okidanja puno mirisnih receptora na različitim olfaktornim stanicama te do njihove aktivacije u različitim intenzitetima čime se stvara gotovo beskrajno mnogo mogućih kombinacija koje tvore specifične neuralne obrasce (1).

Prvi su sustavno opisali mogući molekularni mehanizam u osnovi osjeta njuha. Dobitnici Nobelove nagrade Linda Buck i Richard Axel

Što se na molekularnoj razini događa u njušnom neuroepitelu? Za odgovor na ovo pitanje 2004. godine dodijeljena je Nobelova nagrada Lindi Buck i Richardu Axelu koji su u svojem pionirskom radu s početka 90-tih po prvi puta sustavno opisali mogući molekularni mehanizam koji se nalazi u osnovi osjeta njuha.  Postojalo je više hipoteza o tome kako ovaj mehanizam funkcionira i ni danas nisu definirane sve njegove komponente no prema važećoj hipotezi molekula mirisne tvari veže se na olfaktorni receptor na membrani stanice te dolazi do aktivacije GTP-vezujućih proteina koji se nalaze blizu receptora. Oni zatim zatim aktiviraju adenilil ciklazu da proizvede cAMP tzv. posredničku glasničku molekulu, koja otvara ionske kanale na membrani čime dolazi do prolaska iona u/iz stanice što mijenja njen membranski potencijal i generira nastanak električnog impulsa. Interesantno je kako su u ovom modelu gotovo sve komponente poznate no najduže se čekalo na identifikaciju olfaktornih receptora za koje se smatra kako ni danas nisu do kraja identificirani. Danas se pretpostavlja kao 1-5% genoma sisavaca predstavljaju geni za olfaktorne receptore, njihova ekspresija nađena je i u drugim tkivima osim same sluznice nosa, no uloga u tim tkivima nije razjašnjena, a današnje pretpostavke su da se zapravo radi o receptorima koji nalikuju olfaktornima ali ne obavljaju takvu ulogu. Primjerice u genomu štakora identificirano je oko 1800 gena koji kodiraju za olfaktorne receptore a sličan broj utvrđen je i kod drugih sisavaca. Ove brojke su impresivne – izgleda da je percepcija mirisa izrazito bitna sisavcima jer je rijetkost da ovoliki broj gena u genomu bude angažiran na nekoj funkciji. Čovjek ima više od 850 gena za olfaktorne receptore, no samo ih je 467 intaktno i vjerojatno funkcionalno. Interesantno je da njuh očito gubi važnost u evoluciji čovjeka pa tako u populaciji postoje i pojedinci s anosmijom odnosno nemogućnošću detekcije pojedinih mirisa za koje je utvrđeno da imaju mutacije u nekom od olfaktornih receptora. Poznato je kako se starenjem gubi dio njušnih sposobnosti, no zanimljivo je da taj gubitak nije ravnomjeran jer primjerice gubimo sposobnost raspoznavanja mirisa prženog mesa, luka ili gljiva no vaniliju smo sposobni prepoznati i u starijoj dobi (3,4).

Danas osim same identifikacije receptora zaostajemo i u identifikaciji mirisnih molekula liganda tih receptora te je tek za njih 10% identificirano koja mirisna molekula ih okida. Razlog je to što je ove receptore teško eksprimirati u laboratorijskim sustavima te to njihovo istraživanje čini ekstremno teškim i mukotrpnim. Primjerice, tek je ove godine prvi put opisana kristalna struktura interakcije jednog olfaktornog receptora s ligandom zahvaljujući pomacima u metodologiji i tehnikama istraživanja (2).

Kako onda uopće znamo da neki gen kodira za olfaktorni receptor? Na temelju poznatih receptora te njihove građe i funkcije do neke mjere su zadane i strukturalne karakteristike receptora. Primjerice znamo da kandidat za olfaktorni receptor mora imati regiju koja višekratno prelazi membranu i u kontaktu je s G proteinima. Radi se o klasičnim obilježjima receptora vezanih na G-proteine. Te funkcionalne karakteristike moraju stoga biti sadržane i u njegovoj strukturi i ukodirane njegovim genskim zapisom. Zatim, zbog svoje funkcije mora imati i neku regiju kojom stupa u interakciju s molekulama mirisa i ako pretpostavimo da jedan receptor mora prepoznati više srodnih tipova mirisnih molekula neke grupacije onda i ta regija u genu mora biti fleksibilno iskodirana. Ova fleksibilnost prepoznavanja šire grupe srodnih molekula nije baš uobičajena u biologiji jer se protivi specifičnosti i ciljanosti interakcija receptora i liganda. Takav vid molekularne fleksibilnosti prisutan je još i prilikom prepoznavanja patogena od strane našeg imunološkog sustava. No vratimo se olfaktornim receptorima, kako se njihova funkcija odvija u  neuroepitelu, ekspresija gena kandidata za ove receptore mora biti tamo i detektirana. Ovo su tek neki od kriterija po kojima donekle možemo suziti broj gena u genomu koji su potencijalni olfaktorni receptori a da i ne znamo koji je njihov stvarni ligand (Slika 2).

Geni koji kodiraju olfakotne receptore ne sadrže introne i organizirani su u svojevrsne genomske klastere od 10 i više članova koji su locirani na gotovo svim kromosomima. Nadalje, olfaktorni receptori su kodirani svaki svojim genom koji može u populaciji biti prisutan u nekoliko verzija. Ipak, na nekoj stanici će biti ispoljena samo jedna njegova verzija. Kako se osigurava da ova ispoljenost bude upravo takva a ne drugačija i kako pojedina stanica o tome „odlučuje“ a da na kraju ipak imamo pokriven čitav spektar receptora za različite mirisne tvari još uvijek nije jasno.

Slika 2. Prikaz prijenosa signala od mirisnih molekula liganda putem olfaktornih receptora na neuroepitelu te zatim aktivacija prijenosa signala u stanici prema centralnom živčanom sustavu. Preuzeto iz jednog od amblematskih radova na ovom području Buck L i Axel R (1991) za kojeg su autori dobili i Nobelovu nagradu 2004. A Novel Multigene Family May EncodeOdorant Receptors: A Molecular Basis for Odor Recognition.Cell (65):175-187

Olfaktorni receptori su selektivni ali nisu specifični što znači da neki mirisni ligand može aktivirati multiple receptore te da svaki pojedini receptor može odgovoriti na više srodnih mirisnih molekula. Olfaktorni neuroni se razlikuju po svojoj sposobnosti odgovora na pojedinu mirisnu tvar. Kako različite mirisne tvari stimuliraju samo određenu populaciju olfaktornih stanica dolazi do specifičnog obrasca neuralne aktivnosti. Populacije stanica s istim tipom receptora prema centralnom živčanom sustavu šalju svoje aksone u zajedničke centralne hubove i na taj način se generira specifični signalni uzorak koji naš mozak detektira kao neki od mirisa. Snaga, trajanje i kvaliteta olfaktornog stimulusa su također kodirani tim specifičnim signalnim obrascem. Dakle, kombinacijom signala s olfaktornih receptora omogućeno je da se stvori puno veći broj uzoraka koji se prepoznaju kao neki od na tisuća ili milijuna mirisa. Stoga umjesto da imamo po jedan receptor za svaki tip mirisnog liganda, naš se njušni sustav služi svojevrsnom abecedom u kojoj receptori imaju ulogu slova. Drugim riječima, ako je pojedini receptor slovo, onda on u različitim kombinacijama s drugim receptorima (ekvivalent neke riječi) daje sasvim drugačiju informaciju. Druga približno dobra prispodoba bila bi ona s notama u akordima odnosno unutar kompozicije.

Ova kombinatorika u kodiranju objašnjava kako mirisne molekule gotovo identične strukture budu prepoznate od seta različitih receptora koji se djelomično preklapaju a dijelom i ne. Na taj je način omogućeno da i male promjene u strukturi mirisne molekule izazovu dramatične razlike u percepciji nekog mirisa a ponekad takvu razliku izaziva i samo smanjena koncentracija jednog te istog liganda.

Prema kemijskoj strukturi mirisne tvari su niskomolekularne organske molekule koje se  mogu donekle grupirati u šire skupine poput aldehida i ketona, alkohola, kiselina, estera i laktona, terpena, pirazina, fenilpropanoida, fenola te raznih spojeva sumpora. Neki od karakterističnih predstavnika pojedinih skupina prikazani su na tablici 1. Iako možda mislimo kako su miris kave ili pokošene trave rezultat djelovanja jedne mirisne molekule, zapravo se radi o kompleksnim smjesama koje na koncu generiraju karakteristični mirisni uzorak koji prepoznajemo (5).

Tablica 1. Različite skupine mirisnih spojeva: a) spojevi s karbonilnom skupinom, b) esteri, c) laktoni, d) spojevi sumpora, e) pirazini, f) terpeni g) fenilpropanoidi Preuzeto iz DLG Expert report 1/2017 Panel training on odour and aroma perception for sensory analysis.

Na temelju ovih spoznaja danas se u prehrambenoj i kozmetičkoj industriji kreiraju sasvim nove sintetske molekule s primamljivim svojstvima. Primjer takve uspješnice je molekula Iso E Super koja se danas nalazi u gotovo svim parfemima. Proizveli su je International Flavours and Fragnances i danas u parfumerijskoj industriji predstavlja ekvivalent mononatrij glutamata koji zamjenjuje okus mesa u jelima u prehrambenoj industriji. Ovaj novosintetizirani spoj koji ne postoji u prirodi zbog bioloških karakteristika našeg osjetilnog sustava (prije opisanog stvaranja uzoraka signala) omogućava da ostale mirisne note nekog parfema jasnije i duže percipiramo na gotovo hiperrealističan način. Prvi takav parfem u kojem je korišten Iso E Super u čak 25% koncentraciji bio je Diorov Fahrenheit iz 1988. Naravno, ultimativni cilj bio bi da na temelju strukture mirisne molekule možemo unaprijed predvidjeti njen učinak odnosno kakvu će senzaciju izazvati, no to je u skorijoj budućnosti malo vjerojatno.

Iz svega navedenog očito je da se još mnogo toga treba razjasniti u osjetu njuha. Ova su istraživanja zanimljiva ne samo prehrambenoj ili kozmetičkoj industriji nego bi se potencijalno mogla koristiti i za stvaranje svojevrsnih anti-mirisa, odnosno blokatora pojedinih receptora, primjerice neugodnih mirisa sa odlagališta otpada ili možda repelenata koji su neugodni nekim životinjama a mi ih možda i ne osjetimo. Danas se također istražuje i naša mirisna povijest, odnosno kako su mirisala neka protekla vremena, pojedini artefakti poput starih knjiga te koji je bio kulturološki značaj mirisa u prošlosti.  O važnosti mirisa govori i angažman UNESCO-a na zaštiti pojedinih povijesnih mirisa kao  nematerijalne baština poput jezika ili običaja jer su i oni dio našeg identiteta.

• Literatura

• Horsfield AP, Haase A, Turin L (2017). Molecular recognition in olfaction. Advances in Physics: X (2):937-977 https://doi.org/10.1080/23746149.2017.1378594
• Josefina del Mármol, Mackenzie Yedlin, Vanessa Ruta (2021). The structural basis of odorant recognition in insect olfactory receptors bioRxiv 2021.01.24.427933; doi: https://doi.org/10.1101/2021.01.24.427933
• Trimmer C, Keller N, Murphy NR, Snyder LL i sur. (2019) Genetic variation across the human olfactory receptor repertoire alters odor perception. Proceedings of the National Academy of Sciences 116 (19) 9475-9480; DOI: 10.1073/pnas.1804106115
• Eva Honnens de Lichtenberg Broge, Karin Wendin, Morten A. Rasmussen, Wender L.P. Bredie (2021). Changes in perception and liking for everyday food odors among older adults. Food Quality and Preference, 2021; 93: 104254 DOI: 10.1016/j.foodqual.2021.104254
• Genva M, Kemene TK, Deleu M i sur. (2017) Is it possible to predict the odor of a molecule on the basis of its structure?  J. Mol. Sci. 2019;20:3018. doi: 10.3390/ijms20123018.