Два ароматических вещества, называемые деканаль и ундеканаль, напоминающие запах цедры апельсина, пожалуй, наиболее известны благодаря их использованию в духах Chanel No°5.
Они также являются соединениями, которые помогают комарам нападать на людей. Исследование, опубликованное 4 мая в журнале Nature, показало, что когда самки комаров Aedes aegypti чувствуют запах человека, в их крошечном мозге активируется уникальный механизм - "человеческая гломерула". Гломерула особенно реагирует на деканаль и ундеканаль, которые являются летучими компонентами человеческого кожного сала - маслянистого вещества, вырабатываемого сальными железами, расположенными по всей коже.
Ae. aegypti распространяют такие заболевания, как денге, Зика и желтая лихорадка. При наличии выбора насекомые предпочитают запах человека, а не других животных. "Они обладают определенной способностью отличать человека от животных-хозяев, но какие запахи и нейронные пути в этом участвуют, до сих пор не было известно", - говорит Маркус Стенсмир, биолог из Лундского университета в Швеции, который не принимал участия в исследовании. Авторам "удалось определить конкретную нейронную цепь, которая обнаруживает летучие запахи человека, и эта цепь не активируется, когда вы представляете комарам запах животных", - добавляет он. "Эта работа - настоящий технический прорыв".
Проектирование "запахомера"
Соавтор работы Кэролин Макбрайд, профессор экологии, эволюционной биологии и нейронаук Принстонского университета, объясняет, что исследовательская группа начала с вопроса: "Чем отличается человеческий запах, что заставляет комаров интересоваться нами больше, чем животными?". Используя генное редактирование CRISPR, команда создала комаров, которые экспрессировали датчик кальция GCaMP6f в обонятельных сенсорных нейронах. Когда нейроны выстреливают и уровень кальция повышается, датчик активируется и флуоресцирует - то, что ранее было возможно только в модельных организмах, таких как мыши.
Это была первая возможность, когда мы могли спросить комара: "Что ты сейчас чувствуешь?", - рассказывает МакБрайд.
Затем исследователи подвергли сконструированных комаров воздействию запахов человека, крысы и овцы, используя недавно разработанный метод, который Кристофер Поттер, нейробиолог из Медицинской школы Университета Джона Хопкинса, не принимавший участия в исследовании, назвал "впечатляющим достижением". В ходе исследования добровольцы, не принимавшие душ в течение нескольких дней, ложились в тефлоновый мешок. Воздух из мешка собирался и выдувался на комаров через несколько маленьких трубочек. Для сравнения с животными живых животных помещали в стеклянную камеру, через которую воздух подавался на комаров. "Одним из ключевых нововведений стала разработка системы доставки запахов, с помощью которой они могли точно и воспроизводимо улавливать и затем передавать комарам сложные запахи от людей и животных", - говорит Поттер в своем письме. "Используя новую систему доставки запахов, они смогли точно стимулировать комара [концентрацией запаха, с которой он мог бы столкнуться в реальной жизни]".
Запахи людей и животных имеют много общих соединений. Но некоторые молекулы более многочисленны в человеческом запахе, чем в запахе животных. Ранее считалось, что сложные запахи, такие как смесь запахов, выделяемая человеком, активируют множество различных центров обработки обоняния, или гломерул, в мозге комара, в то время как запахи животных активируют другой, частично перекрывающийся, набор гломерул. "Мы полагали, что единственным способом отличить [людей и животных] будет сложная картина активности, когда одни нейроны активируются сильнее, а другие - менее сильно", - говорит МакБрайд, объясняя, что она предполагала, что будет задействовано не менее пяти различных популяций нейронов.
К удивлению авторов, визуализация обонятельных нейронов комара при восприятии запаха человека, крысы или овцы показала гораздо более простую картину: в ответ на запах любого из видов животных активировались две гломерулы. В ответ на запах человека загоралась одна гломерула, специфичная для человека, и одна из гломерул, также активированных животными. "Это нас просто поразило, потому что мы не думали, что все окажется настолько просто", - говорит МакБрайд.
"Эта статья делает удивительное открытие, что, несмотря на то, что запахи представляют собой сложные смеси, эти комары могут использовать простой нейронный код, чтобы отличать своих предпочитаемых хозяев (нас) от других животных", - говорит Лора Дюваль, биолог из Колумбийского университета, не принимавшая участия в исследовании.
Привлекательные альдегиды
Далее исследователи углубились в изучение того, на какие соединения реагирует гломерула комаров, специфичная для человека. Среди них выделялась группа альдегидов, которые в изобилии присутствуют не только в запахах людей и животных, но и в запахах, распространяющихся от растений и почвы. Авторы определили, что запахи животных изобилуют альдегидами с более короткой цепью, в то время как у людей больше альдегидов с длинной цепью, говорит МакБрайд.
Оказалось, что длинноцепочечные углеродные альдегиды деканаль и ундеканаль при физиологических концентрациях сильно активируют гломерулы комаров, специфичные для человека, в то время как гломерулы, настроенные как на людей, так и на животных, реагируют на различные соединения.
Исследователи также обнаружили, что комары, почувствовавшие запах смеси деканаля, который активирует гломерулу, специфичную для человека, и 1-гексанола, который активирует гломерулу, предназначенную для человека и животных, улетят в поисках источника. "Важно, что они также показали, что эти компоненты имеют поведенческое значение для комаров - комары будут отслеживать бинарную смесь синтетических одорантов так же, как они реагируют на запах человека в целом", - отмечает Дюваль.
Деканаль и ундеканаль, вероятно, происходят из кожного сала, маслянистого вещества, которое, в отличие от пота, выделяется из волосяных фолликулов независимо от физической активности. Обнаружение роли кожного сала в привлечении комаров является новым, считает Мэтью ДеДженнаро, исследователь трансмиссивных заболеваний из Международного университета Флориды, который не принимал участия в исследовании. "Ранее основное внимание уделялось компонентам человеческого пота, таким как молочная кислота, или тому, как микробиом кожи человека перерабатывает пот и кожное сало в наш особый запах".
Хотя сконструированные комары позволили исследователям посмотреть на реакцию обонятельных рецепторов, другие нейроны, которые могут играть роль в обнаружении человека, не были исследованы, отмечает ДеГеннаро, добавляя, что у Ae. aegypti рецептор под названием Ir8a "может играть определенную роль, учитывая его способность обнаруживать молочную кислоту и другие кислые запахи человека. . . . Молочная кислота является компонентом человеческого пота, который вызывает привлечение комаров в сочетании с углекислым газом, а известно не так много запахов, способных сделать это". В настоящее время неизвестно, в какой степени эти рецепторы играют роль в различении животных от людей.
Макбрайд признает, что сигналы, выходящие за пределы концентраций деканала и ундекана, вероятно, действуют, когда комары подлетают очень близко и решают, садиться ли на потенциальную жертву. В ходе экспериментов в аэродинамической трубе проверялось, как комары определяют, куда лететь, в условиях, сходных с теми, которые существуют на расстоянии метра или двух от человека. "Мы не думаем, что это конец истории: это не единственный способ, которым они распознают людей, но мы считаем, что это одна из главных составляющих".
Дюваль говорит, что в дальнейшей работе ей хотелось бы, чтобы исследователи сравнили Ae. aegypti с видами комаров, которые обычно кусают различных животных, "чтобы узнать, используют ли они один и тот же тип обонятельного кодирования для различения предпочитаемых хозяев, или их предпочтения опосредуются различными механизмами".
Одним из потенциальных применений результатов исследования является разработка новых аттрактантов и репеллентов для комаров, пишет Поттер.
"Это может привести к разработке "супер" аттрактантов, которые пахнут для комара даже лучше, чем настоящий человек, и которые затем могут служить приманками для отпугивания комаров от людей".
В сочетании с инсектицидами такие приманки могут быть использованы для сокращения популяций комаров. Однако МакБрайд предупреждает, что необходимы дополнительные исследования. "Сейчас мы можем сказать, что если вы хотите создать смесь, которая действительно привлекательна для комаров, вам следует включить в нее хотя бы немного деканаля или ундеканаля". Новые методы нейронной визуализации могут стать большим шагом вперед для поиска других соединений, которые ингибируют или активируют эти нейроны, добавляет МакБрайд.
"Это открывает множество дверей для разработки лучших репеллентов и аттрактантов".
