Recenti scoperte sui recettori olfattivi

L'olfatto, senso fondamentale per il nostro contatto con il vino, è affascinante e difficile da comprendere. Rimasto per molto tempo il più enigmatico dei nostri sensi, il suo funzionamento è stato rivelato da un importante studio, vincitore del premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina. Questo lavoro di Linda Buck e Richard Axel, di cui si riportano qui i risultati, ha permesso di spiegare come riusciamo a percepire l'odore di 100.000 sostanze chimiche diverse.

I sensi chimici
Il senso dell'olfatto è uno dei cinque sensi attraverso i quali è possibile percepire il mondo.
L'olfatto è certamente un senso molto affascinante ed insieme difficile da comprendere. E fondamentale nel nostro contatto con il vino, riveste un aspetto essenziale per la vita di tutti i giorni, ma nel contempo si riesce a definire con estrema difficoltà.
Se ci soffermiamo a riflettere sul funzionamento dei nostri sensi, c^'è da restare meravigliati: nel corso dell^'evoluzione delle specie, infatti, si sono sviluppate modalità sensorie in grado di percepire il contatto fisico (il tatto), le onde elettromagnetiche (la vista), le rapidissime variazioni di pressione dell^'aria (l^'udito) e la presenza nell^'ambiente di certe sostanze chimiche solubili o volatili (gusto e olfatto).
I nostri sensi quindi percepiscono il mondo con cui entrano in contatto attraverso l^'interpretazione di segnali fisici, elettromagnetici e chimici.
Questi diversi stupefacenti metodi di leggere quanto ci circonda, sono in certi casi molto superiori alle migliori metodiche analitiche che siamo riusciti a ricreare in laboratorio.
In particolare per i "sensi chimici", cioè il gusto e l'olfatto, che sono in grado di riconoscere un grande numero di sostanze presenti nel mondo esterno, la sensibilità e la capacità di discriminazione rimangono spesso impareggiabili.
Uno degli aspetti più affascinanti dell'olfatto e del gusto, cioè dei "sensi chimici", è che si tratta di modalità sensorie antichissime. All'origine della vita sul nostro pianeta i primitivi organismi viventi riuscivano già a "leggere" l'ambiente che li circondava.
Anche i più semplici organismi unicellulari possiedono infatti dei sistemi per saggiare la composizione chimica del loro ambiente esterno.
In questa rapida presentazione dello sviluppo dell'olfatto, possiamo cominciare da uno degli stadi più semplici, rappresentato dall^'ameba. L'ameba emette degli pseudopodi per nutrirsi. Se lo pseudopodo incontra qualcosa di nocivo o di dannoso viene ritirato.
Il riconoscimento della potenziale pericolosità del mondo esterno avviene grazie a stimoli chimici, termici, meccanici e luminosi. Gli effetti di questi diversi stimoli non sono specifici: tutti conducono allo stesso effetto. Inoltre gli effetti dei diversi stimoli si sommano tra di loro, senza una particolare differenziazione.
Partendo da questo modo di reagire primario, attraverso milioni di anni di evoluzione si sono sviluppati, si sono differenziati e sono diventati estremamente più complessi gli organi sensori degli animali e dell^'uomo.
Dalla primitiva stimolazione chimica si sono sviluppati il senso dell^'odorato e del gusto. Grazie a questi sensi gli animali possono trovare e valutare la qualità delle fonti di cibo, evitare di diventare loro stessi cibo per i loro predatori, e possono identificare i partner sessuali.
Olfatto e gusto hanno quindi rappresentato delle modalità sensorie molto importanti per sopravvivere, sia per gli individui, sia per le specie.
Migliore era l^'olfatto, maggiori erano le possibilità di sopravvivere: per questo la pressione evolutiva ha portato allo sviluppo di un sistema olfattivo complesso.

L'enigma dell'olfatto
Nonostante la sua fondamentale importanza, il senso dell^'olfatto è rimasto per molto tempo il più enigmatico tra nostri sensi. Attraverso questo senso chimico, gli esseri umani e gli altri mammiferi riescono a sentire la presenza di circa 100.000 sostanze chimiche diverse, con un diverso odore.
Tutti questi "odori" sono costituiti dalla presenza nell'atmosfera di molecole piccole e volatili. Beninteso, tutte queste molecole hanno una struttura chimica differente ed in qualche modo la diversa struttura viene percepita come un diverso odore.
Il senso dell^'odore è mediato dal sistema olfattivo, che è caratterizzato da un enorme potere discriminante e da una altissima sensibilità. Anche una minuscola variazione di struttura delle molecole può cambiare radicalmente l^'odore percepito.
I principi di funzionamento dell^'olfatto, attraverso i quali riusciamo a distinguere, riconoscere e ricordare i moltissimi diversi odori che ci circondano sono rimasti del tutto misteriosi fino a pochi anni fà, quando, nella primavera del 1991, Linda Buck e Richard Axel presentarono i risultati di un loro lavoro di biologia molecolare.
La ricerca di Buck e Axel, rivolta alla genetica dell^'olfatto dei topi, portò al riconoscimento che nei topi esiste una ampia famiglia di geni diversi che codificano per i recettori degli odori. Questi moltissimi geni dell^'olfatto danno origine ad un altrettanto grande numero di diversi recettori.

La scoperta che ogni cellula recettrice olfattiva esprime solo un singolo gene olfattivo era del tutto inattesa. Fu una scoperta entusiasmante e totalmente inaspettata, tanto che le ricerche scientifiche sul meccanismo dell^'olfatto sono state divise in due ere: prima e dopo la pubblicazione di questo articolo di Buck e Axel. Si trattò insomma del momento fondamentale della ricerca sull^'olfatto. Questa scoperta catturò subito l^'attenzione della comunità scientifica, la quale riprese ed approfondì gli studi che condussero a svelare molti dei segreti del funzionamento dell^'olfatto dei mammiferi.
L'importanza dei risultati ottenuti ha portato Axel e Buck a ricevere nel 2004 il premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina per le loro  scoperte sui  recettori dell'odore e l'organizzazione del sistema olfattivo .

I moltissimi geni dell'olfatto
Uno degli aspetti più considerevoli delle analisi genetiche condotte negli ultimi anni è l^'identificazione di circa 1400 diversi geni olfattivi nei ratti, 1100 nei cani e 1000 nei topi.
Negli esseri umani e negli scimpanzé si trova un numero paragonabile di geni olfattivi, quindi dovremmo anche noi ed i nostri parenti Primati sentire gli odori come gli altri mammiferi, se non fosse che molti di questi geni olfattivi sono difettosi, e quindi non riescono a produrre i corrispondenti recettori olfattivi.
Infatti non tutti i geni funzionano in tutte le specie. E' la percentuale di geni olfattivi funzionanti a determinare l^'acutezza dell^'odorato negli animali e negli uomini.
Se i ratti hanno solo il 19,5% dei geni non funzionanti, ed i cani appena il 20,3%, negli esseri umani, più della metà di questi geni contiene una mutazione che impedisce loro di funzionare in modo appropriato.
Questo dimostra che nella sua evoluzione il genere umano ha perso molte delle capacità di distinguere gli odori. In uno studio pubblicato nel 2003 ci si chiede se questa ^"perdita^" genetica sia un fenomeno relativamente vecchio che affligge tutti i Primati, o se si verifica soltanto negli uomini.

I ricercatori hanno confrontato le sequenze di DNA di 50 geni recettori olfattivi comuni negli uomini e in diverse specie di scimmie. Hanno così scoperto che il 54 per cento dei geni è inattivo negli uomini, contro soltanto il 30 per cento nelle altre specie di Primati. La ricerca ha anche permesso di ricostruire questo deterioramento sensoriale lungo il cammino evolutivo.
Sembra che il declino dell^'olfatto abbia avuto luogo in un determinato ^"momento evolutivo^", fra i 3 e i 5 milioni  di anni or sono, e che nel ramo che ha condotto agli esseri umani si sia svolto quattro volte più velocemente rispetto agli altri Primati.
La conclusione degli scienziati è che la perdita di un olfatto molto fine sia una caratteristica tipica di Homo sapiens. Probabilmente è dovuta allo sviluppo del cervello, che ha dato più enfasi alla vista, alla capacità di distinguere i colori e di identificare altri membri della specie dall^'aspetto e dal volto anziché dall^'odore.
Comunque, nonostante la perdita relativa nell'uomo rispetto agli altri mammiferi, i geni dell'olfatto continuano a costituire la più grande famiglia di geni che ad oggi è conosciuta, rappresentando ben 1'1,4% di tutti i geni umani.

Il funzionamento dei recettori olfattivi
Il sistema olfattivo è il primo dei nostri sistemi sensoriali che è stato decifrato utilizzando in modo magistrale delle tecniche molecolari.
La scoperta dei recettori olfattivi ha spiegato come fa il sistema olfattivo a riconoscere un^'ampia serie di sostanze chimiche differenti.
Quando un recettore olfattivo è attivato da una sostanza odorante, viene prodotto un segnale elettrico che è inviato al cervello attraverso i nervi. Ogni sensore olfattivo innanzitutto attiva una proteina olfattiva specifica alla quale è unito, della famiglia delle proteine-G. La proteina-G a sua volta stimola la formazione di AMP ciclico. Questa molecola messaggera attiva i canali ionici, che sono aperti quando la molecola è attivata.
Tutti i recettori olfattivi sono proteine, molto simili tra loro, differenti però in alcuni dettagli.
Queste differenze spiegano perché sono attivate da diverse molecole odoranti. Ogni recettore consiste in una catena di aminoacidi che è ancorata alla membrana cellulare e la attraversa sette volte.
Questa catena crea una tasca ripiegata, dove la molecola dell'odore può entrare e attaccarsi. Quando questo avviene, la forma del recettore si altera, dando origine all^'attivazione della proteina.

Topologia di un recettore olfattivo nella membrana.
I singoli amminoacidi sono indicarti con delle sfere.

Un sistema combinatorio per gli odori
Linda Buck e Richard Axel hanno dimostrato che ciascuna cellula recettrice esprime uno e un solo gene di recettore olfattivo. Quindi ci sono nel nostro naso tanti diversi tipi di cellule recettrici quanti sono i diversi recettori olfattivi, e quanti sono i geni attivi, cioè circa 350. Se ogni recettore reagisse alla presenza di una specifica sostanza chimica, noi potremmo al massimo sentire 350 diversi odori, corrispondenti alle sostanze in grado di attivare i recettori.
In realtà noi sentiamo e differenziamo moltissimi odori, almeno 100 volte superiori come numero ai sensori attivi.
La ragione di questa capacità discriminante nasce dal fatto che non c'é un sensore esclusivo per ogni sostanza determinabile. E stato infatti possibile dimostrare, registrando il segnale elettrico che proviene da una singola cellula recettrice, che ogni recettore olfattivo non reagisce con una sola sostanza chimica, ma con diverse sostanze che hanno una somiglianza tra loro. L'aspetto importante è che il sensore olfattivo risponde con una diversa intensità per ogni specifica sostanza.

I recettori olfattivi agiscono in modo combinatorio per interagire
con le sostanze chimiche odoranti e codificare la loro identità
Il diametro dei cerchi riflette l’intensità della risposta di ogni recettore
ad una serie di molecole.

Il gruppo di ricerca di Linda Buck ha esaminato la sensibilità dei singoli recettori olfattivi a specifiche sostanze. Utilizzando una pipetta, hanno svuotato il contenuto di ogni cellula e hanno mostrato esattamente quale gene olfattivo fosse espresso in quella cellula. In questo modo, hanno potuto correlare la risposta che aveva il particolare tipo di recettore presente nella cellula olfattiva, ad una specifica sostanza chimica odorante.
Il risultato che si ottiene da questa dettagliata analisi è che ogni recettore reagisce a diverse sostanze, mentre una specifica sostanza attiva numerosi recettori diversi.
Sostanze chimiche che sono molto vicine tra loro come struttura, sono in realtà riconosciute da recettori olfattivi diversi, e quindi vengono percepite come odori molto diversi tra loro.
Gli odori ed i profumi sono in genere composti da una molteplicità di molecole odoranti, e ogni molecola odorante è in grado di attivare diversi recettori olfattivi.
Questo porta ad un codice combinatorio che forma uno "schema olfattivo" che è stato paragonato ai colori di un mosaico. Questo mosaico è la base molecolare della nostra abilità a riconoscere e formare la memoria di migliaia e migliaia di diversi odori.

Schema combinatorio dei recettori per gli odori

PIERSTEFANO BERTA

OICCE TIMES 
Rivista di Enologia, Tecnica, Qualità, Territorio
n. 26 - primavera 2006 - pagg. 43-45