ارتباط روایح با بیومولکول‌ها

فکر کردن به دو جهان به اندازه دنیای عطرسازی و علوم اعصاب چالش برانگیز است. عطرسازی در ظاهر زودگذر و گذرای بوها نقش می­بندد. این بیان حسی از تصاویر زیبایی شناختی و جذابیت ذهنی ایجاد می­کند. علوم اعصاب حقایق سخت مکانیسم‌های مولکولی و الگوهای فعالیت عصبی را بررسی می‌کند. نحوه عملکرد یک چیز را مدل می­کند، نه اینکه چگونه ظاهر می­شود. ارتباط بین این دو حوزه تخصصی به دور از شهود به نظر می­رسد. اما یکی از آنها، وجود دارد.

مطالعه اخیر در ژورنال Science به سرپرستی Lu Xu از آزمایشگاه Firestein در دانشگاه کلمبیا، گیرنده ­های بویایی در بینی یعنی پروتئین­ هایی که مواد شیمیایی موجود در هوا را در محیط شما تشخیص می­دهند و آنها را به سیگنال­های بیوالکتریکی برای پردازش مغز شما تبدیل می­کنند، بررسی کرد. آنها یک الگوی رفتار غیرعادی را در این پروتئین­ها کشف کردند که در مقایسه با سایر سیستم­های حسی، مانند بینایی یا لمس، غیرمعمول است. این الگوهای مشاهده شده از رفتار گیرنده، اکنون می­تواند برخی از اثرات حسی را که مدت­ها در عطرسازی شناخته شده بود توضیح دهد. چنین اثراتی که معمولاً به عنوان یک پدیده عجیب و غریب در دهه‌های گذشته کنار گذاشته می‌شد، ممکن است کلید درک چگونگی درک مغز از رایحه‌ها باشد.

آنچه که عطرسازان می‌دانستند و اکنون دانشمندان می‌توانند در سطح مولکولی توضیح دهند، این است که مخلوط‌های بو، رفتار افزایشی ندارند. افزودنی به این معنی است که شما باید بتوانید محاسبه کنید که مجموع اجزا از کنار هم قرار دادن ترکیبات مجزا چه بویی خواهد داشت. سیستم بصری بطور افزایشی کار می­کند. می‌توانید رنگ‌ها را با افزودن و تفریق دامنه‌های طول موج الکترومغناطیسی (که به رنگ‌های طیف مرئی نور تبدیل می‌شوند) محاسبه کنید، مانند «صورتی نور سفید منهای سبز است». در مقابل، مخلوط‌های بویایی بیش از مجموع اجزای آنهاست.

عطرسازان مدعی هستند که هر مخلوطی از نظر شیمیایی آنقدر پیچیده است که اغلب غیرقابل پیش بینی رفتار می­کند. به عنوان مثال، ممکن است یک قطره کوچک از یک ترکیب را در یک مخلوط بریزید و رایحه کل ترکیب را در یک لحظه تغییر می­دهد (نه به ندرت به صورت غیرمنتظره) و برعکس آن نیز می­تواند اتفاق بیفتد. ممکن است قطره ­های خیلی زیاد از یک ترکیب را در یک مخلوط بریزید و حتی ذره ­ای از عطرِ کلی را تغییر ندهد. دانشمندان بویایی از این پدیده ­ها به عنوان اثرات تقویتی و سرکوب ­کننده یاد می­کنند. بوهای خاصِ ترکیبات شیمیایی هنگامی که در یک مخلوط به وجود می­آیند یا تقویت می­شوند و یا سرکوب می­شوند. به جای قلع و قمع کیمیاگری مخفی، باید بدانیم که ریشه­ های کیفیت نامنظم مخلوط بوها، فرآیندی بیوشیمیایی است. همه اینها به الگوهای گیرنده ­های فعال شده توسط مواد شیمیایی که به بافت اِپیتلیوم در بینی شما میرسند، باز می­گردد.

اما کدام و چند سلولِ گیرنده توسط ترکیبات منفرد فعال می­شوند؟ و آیا زمانی که آن ترکیب همراه با سایر ترکیبات در یک مخلوط تجویز می­شود همان گیرنده­ ها واکنش نشان می­دهند؟

برای بررسی این سوال، این مطالعه از یک ابزار تصویربرداری عصبی جدیدِ توسعه یافته توسط الیزابت هیلمن استفاده کرد: یعنی میکروسکوپ SCAPE (SCAPE مخفف عبارت Swept, Confocally-Aligned Planar Excitation). این ابزار به شما امکان می­دهد دو چیز را با هم مشاهده کنید: رفتار تک تک سلول­ها از یک سو، و کل جمعیت سلولی از سوی دیگر به ویژه، در بافت سالم و در زمان واقعی! بنابراین، می‌توانید بویی از هر چیزی را روی اِپیتلیوم بینی موش بپاشید و ببینید کدام سلول‌های خاص و چند سلول مختلف فعال شده‌اند. چنین مشاهده ­ای قبلاً امکان­پذیر نبود. محققان معتقدند: "کار واضحی که در این مورد انجام می­شود، ترکیب یا مخلوط برای دیدن کُد بویایی است."

Xu، نویسنده اصلی این تحقیق می­گوید، بافت‌های اِپیتلیال موش‌های دستکاری شده ژنتیکی (که امکان ردیابی سلول‌های فعال با درخشش فلورسنت را می‌دهد) در معرض دو مخلوط قرار داد که هر کدام از سه ترکیب تشکیل شده‌اند. او آزمایش کرد که سلول‌ها چگونه به هر ترکیبی که بطور جداگانه، جفت و سپس در ترکیب سه‌جانبه تجویز می‌شوند، پاسخ می‌دهند. او متوجه شد که دو اتفاق افتاده است. برخی از سلول­ها به ترکیبات منفرد پاسخ دادند و بیشتر به مخلوط­های دوتایی واکنش نشان دادند، اما این سلول­ها هنگامی که در معرض ترکیب سه جانبه قرار گرفتند، ساکت ماندند. این به خودی خود غیرمنتظره نبود. ما نتایج مشابهی از سایر سیستم‌های حسی را به‌عنوان اثرات متضاد می‌دانیم، که در آن یک ترکیب می‌تواند سلول‌های گیرنده را به گونه‌ای مسدود کند که به عناصر دیگر پاسخ ندهند (یا با کاهش فعالیت پاسخ دهند). در اینجا تعداد سلول‌های کمتری به کل ترکیب نسبت به مجموع اجزای آن پاسخ می‌دهند. چنین فعل و انفعالات متضاد ممکن است توضیح دهد که چرا کیفیت بوی یک ترکیب می­تواند در یک مخلوط از بین برود و یا در سطح گیرنده توسط سایر ترکیبات موجود در مخلوط خنثی می‌شود. علاوه بر تضاد، این فرآیند اثرات تقویتی نیز داشت بطوریکه برخی از سلول­ها به اجزای جداگانه پاسخ نمی­دهند اما زمانی که در معرض مخلوط قرار می­گیرند فعال می­شوند. به عبارت دیگر، این سلولها فقط به ترکیبات به صورت ترکیبی واکنش نشان می­دهند، اما به آنها به صورت جداگانه واکنش نشان نمی­دهند.

Xu معتقد است: این اثرِ مدولاسیون به دلیل واکنش شیمیایی نیست. این مواد شیمیایی آلی در شرایط آزمایشی Xu از نظر شیمیایی بی اثر هستند. به جای شیمی، داده­ ها به یک توضیح بیولوژیکی اشاره کردند. اثرات افزایش نشان می­دهد یک مکانیسم مولکولی در سطح گیرنده­ ی شناخته شده از مطالعات دارویی است. با این حال، این مکانیسم هرگز در حاشیه حسی یعنی مدولاسیون آلوستریک مشاهده نشده بود. آلوستریک به این معنی است که یک گیرنده دارای یک محل اتصال بالقوه است که منجر به فعال شدن آن نمی­شود، اما منجر به تغییر ساختار آن می­گردد (تصور کنید آب را لمس کرده ­اید و با رسیدن انگشت خود به سطح، تبدیل به یخ می‌شود). در این تأیید جدید، گیرنده اکنون پذیرای اجزایی است که قبلاً به آنها واکنش نشان نداده است.

به عنوان مثال: گیرنده ­ای را تصور کنید که به یک ترکیب خاص C1 متصل نمی­شود. سپس این ترکیب را با ترکیبات C2 و C3 در یک مخلوط قرار دهید. ترکیب C2 به محل آلوستریک گیرنده متصل می‌شود و ترکیب آن را تغییر می­دهد که منجر به مدولاسیون رفتار فعال­سازی آن می­شود به طوری که اکنون به ترکیب C1 پاسخ می­دهد. چنین فعل و انفعالات آلوستریکی جذاب هستند زیرا نشان می‌دهند که چرا مخلوط‌ها می‌توانند کیفیت‌های بویایی متفاوتی با ویژگی‌های حسی اجزای آنها اتخاذ کنند. در واقع، شما سلول‌های کاملاً جدیدی دارید که به این ترکیب پاسخ می‌دهند و سیگنال‌های جدیدی را برای مغز برای محاسبه ی تصاویر بوها معرفی می‌کنند. اینجاست که تخصص در عطرسازی با تحقیقات در زیست شناسی مولکولی روبرو می­شود.

اِدراک بویایی، به طور سنتی، در علم جریان اصلی کنار گذاشته شده بود، زیرا تصور می‌شد که تأثیرات آن تا حدودی نامنظم و ذهنی است. با این حال، این بی ­نظمی­ های ظاهری اغلب، ما را به سمت مکانیسم­ های مولکولی که پدیده­ های ذهنی ما را ایجاد می­کنند، سوق می­دهند. بویایی، مانند هر حس دیگری، توسط علل بیولوژیکی عینی اِداره می­شود که توضیحات علمی، ما را به تجربه اِدراکی مرتبط می­کند. اما، در مقایسه با حواس دیگر، بویایی همچنان چند ترفند مولکولی غیرمنتظره نیز در آستین خود دارد.

(منبع: کتاب زیست روانشناسی عطرها، انتشار 1402).