У производителей полуфабрикатов целые армии специалистов, которые изучают стимулирующие свойства тысяч химических соединений и пытаются соотнести их с тем, как на них реагируют наши органы чувств.

В отличие от молекулярной кухни, в нейрогастрономии рецепторные молекулы имеют критическое значение для понимания системы восприятия вкусовых ощущений человеческого мозга, а следовательно, нас интересует именно взаимодействие между молекулами запаха и рецепторными молекулами, находящимися в носу. Рассматривая обоняние с этой точки зрения, мы углубляемся в один из подразделов нейрогастрономии, а именно – молекулярную. Это совсем молодая сфера науки, а потому у нее, в отличие от кулинарии и молекулярной кухни, еще не накопился достаточный багаж знаний. Но со временем эти знания будут аккумулироваться, все теснее переплетаться, разжигая как научный интерес, так и человеческий аппетит.

Все в восприятии запахов и вкусовых ощущений начинается с этого завораживающего взаимодействия между молекулами, содержащимися в нашей пище, и теми, из которых состоят клетки наших рецепторов. Как же это происходит?

Представьте себе, что молекула похожа на ключ от входной двери вашего дома. Проведите пальцем по его зазубринам, идеально совпадающим с бороздками внутри замка. Когда вы вставляете ключ в замок, они совмещаются, и вы можете повернуть ключ, убрать язычок замка и отворить дверь. Биологи уже больше столетия используют концепцию «ключ-замок» для описания взаимодействия между двумя молекулами. Когда ключ в замке поворачивается, структура молекулы меняется. Это изменение дает микроскопический толчок соседней молекуле, а та передает его следующей – запускается цепная реакция, и клетка, в которой эти молекулы находятся, выполняет свою задачу.

Молекула запаха состоит из разных видов атомов, придающих ей нерегулярную структуру – эта структурная особенность означает, что в данном случае молекула является ключом. Каков же тогда замок и как он работает? Поиск ответа на этот вопрос был одной из наиболее важных задач современной науки о запахе. Когда ответ был найден, мы наконец-то узнали главное, а именно – как содержащаяся в молекуле запаха информация преобразовывается мозгом в образ запаха.

Процесс активации обонятельного рецептора молекулой запаха лишь одна из составляющих процесса преобразования информации из стимула, воздействующего на рецептор, в сигнал нервной системы. Наиболее очевиден этот процесс в случае зрения – отдельные фотоны активируют молекулы родопсина в зрительных рецепторах сетчатки нашего глаза. Хорошо изучен и процесс активации слуха, где звуковые волны сначала преобразовываются в вибрации во внутреннем ухе, а вибрации затем активируют рецепторные волосковые клетки в улитке. В обоих случаях нам прекрасно известен оптимальный способ стимуляции, и мы можем взять его под строгий контроль.

В случае сенсорных стимулов обонятельных рецепторов все не так просто. Мы лишены возможности «увидеть» или «услышать» используемый в опытах стимул. Контролировать молекулы запаха мы можем лишь опосредованно, инструментальными методами. Рецепторные клетки и вовсе скрыты внутри носовой полости – их труднодоступность мешает фиксировать результаты исследования. При повторной стимуляции рецепторы быстро устают (именно поэтому мы быстро привыкаем даже к самой пахучей среде), а потому эксперименты с обонянием не терпят торопливости. Как правило, мы не знаем заранее, какой из тысячи возможных запахов активирует конкретную рецепторную молекулу; чтобы определить это, нужно очень много времени. Даже когда нужный запах наконец обнаружен, мы все равно должны идентифицировать иные запахи, попадающие в обонятельный спектр изучаемой рецепторной молекулы. Хотя исследования проводятся преимущественно на ортоназальном обонянии, которое можно контролировать, распыляя перед носом облачка одорированных частиц, ретроназальное обоняние функционирует по тому же принципу.

В нашей аналогии ключами являются молекулы запаха, многие из которых уже были рассмотрены в прошлой главе. Они бывают как совсем маленькими, так и более крупными, такими как мускус, феромоны и даже фрагменты выделяемого телом белка, переносимого по воздуху. Этот обширный спектр молекул запахов особенно сильно воздействует на наши рецепторы, когда мы принюхиваемся, вдыхая воздух через нос. Стоящая перед исследователями задача слегка упрощается благодаря тому, что ретроназальное обоняние реагирует в основном на более мелкие молекулы, которые становятся летучими (испаряются) из жидкостей и пищи уже в полости рта.

Какая часть этих маленьких молекул стимулирует наши рецепторы? Разгадав эту тайну, мы сможем приблизиться к пониманию формы, которую принимает информация при поступлении в мозг. Специалисты по органической химии знают (и это подтверждено множеством физиологических исследований), что замена даже одного из атомов в составе молекулы может изменить восприятие ее запаха. Получается, что фундаментальная информация, содержащаяся в молекулах запаха и воспринимаемая мозгом, вероятнее всего, связана с индивидуальными характеристиками молекул запаха. Эти характеристики, позволяющие классифицировать одорированные молекулы, подразделяются на несколько категорий.

Рассказывать о них я буду на основе информации, рассмотренной в четвертой главе. Перечисленные далее черты являются одним из элементов, объединяющих нейрогастрономию с молекулярной кухней.

Во-первых, очевидно, что одорированные молекулы могут быть разной длины. К примеру, основой молекул с линейной или разветвленной цепью (они же алифатические[31]) является «скелет», который может состоять как из одной, так и из нескольких дюжин атомов углерода.

Вторая отличительная характеристика кроется в терминальной функциональной группе. У многих молекул запаха она определяет их принадлежность к щелочам, кислотам или альдегидам – эти категории веществ обладают характерными запахами. Мы уже знаем, что эти вещества содержатся во многих продуктах питания. Отталкиваясь от первых двух черт, мы можем описать гомологический ряд как ряд веществ с одинаковой терминальной функциональной группой (то есть гомологических[32]), но с цепочками, состоящими из разного количества атомов углерода (это и есть ряд).

Третий параметр классификации молекул запаха – наличие или отсутствие в углеводной цепи функциональной группы, например атома кислорода в кетоне. Четвертая характеристика зависит от того, является ли структура углеводной цепи линейной, или же от нее отходит боковая группа, например фенольное кольцо. Пятым параметром служит хиральность молекулы, то есть отклоняется ли она от виртуальной оси симметрии вправо или влево. Шестая характеристика – геометрическая форма молекулы, например, углеводороды терпеновой группы могут иметь форму кольца. Заключительной, седьмой характеристикой является общий размер молекулы.

То, что обонятельная система может различать молекулы запаха, отличающиеся друг от друга даже на один атом, означает, что она обладает одним из наиболее чувствительных механизмов распознавания молекул в нашем организме. Для сравнения – наша иммунная система заметно отстает от обонятельной в точности распознавания – там антитело взаимодействует с антигеном, у которого может быть сразу несколько дюжин рецепторных молекул.

Какой рецептор способен заметить даже малейшее отличие между молекулами и попутно проверить еще тысячи других? Ответ на этот вопрос был одной из величайших загадок науки. Первые предположения о его природе были выдвинуты специалистами химической промышленности, работавшими с органическими веществами. В основу их суждений легла теория о том, что некие характеристики позволяют молекулам взаимодействовать с неустановленным видом рецепторов. Эта теория со временем слилась с более обширной сферой исследований, занимающейся поиском соотношений «структура-свойство» (или «структура-активность») во взаимодействиях между молекулами. Эти исследования затем развились в поиск количественных отношений «структура-свойство» («QSAR») – сейчас это один из стандартных методов прогнозирования взаимодействий на молекулярном уровне, которым пользуются в числе прочих фармацевтические компании при разработке новых лекарственных препаратов.

Благодаря этим исследованиям нам открылась пугающе сложная структура молекул запаха и то, как они воспринимаются. С одной стороны, молекулы со схожими характеристиками – например, спирты, сложные эфиры и альдегиды – могут восприниматься схожим образом. С другой стороны, схожие молекулы могут восприниматься и абсолютно по-разному. Классический QSAR-подход привел в тупик.

Взяв за основу анализ формы молекул, биохимик из Оксфордского университета Джон Эймур предположил, что рецепторы настроены на форму молекул запаха, заложив таким образом основу стереохимической теории обоняния. В то же время белковый состав клеточной мембраны рецепторов по-прежнему оставался загадкой.

Первым прорывом стало биохимическое исследование израильского ученого Дорона Ланцета, когда-то бывшего одним из моих студентов. В 1985 году он произвел фурор в исследовании запахов, продемонстрировав, что молекулы запаха стимулируют фермент под названием аденилатциклаза, который выступает катализатором в образовании широко известной сигнальной молекулы под названием циклическая АМФ[33] (цАМФ). Мы уже знали, что цАМФ возникает при передаче сигнала от рецептора, который дает микротолчок так называемому G-белку[34]; эти рецепторы образовывают обширное семейство рецепторов, сопряженных с G-белками (GPCRs). Ланцет воспользовался своими знаниями, полученными в ходе обучения на иммунолога, и предположил, что для кодирования всех видов молекул запаха потребуется очень много разных рецепторов – от 100 до 10 000. Его предположение оказалось на удивление точным. Отталкиваясь от гипотезы еще одного из моих бывших студентов, Джона Кауера, и предшествовавшего их работам исследования Кьелла Девинга из Норвегии, Ланцет также предположил, что отношения между рецепторами и молекулами запаха будут иметь «комбинаторный» характер – один рецептор сможет взаимодействовать со множеством разных молекул, а одна молекула будет взаимодействовать с разными рецепторами.