SPRING HONEY: NEW MYSTERES OF SMELL CODE

       

A formist mechanism for activating of olfactory receptors by odorant molecules is commonly accepted by the scientific community. It is based on an interaction of the enzyme-substrate type.

Vibrational theory proposed by biophysicist Luca Turin in 1996 indicates that the olfactory receptors selectively capture the vibrational energy of odorant molecules. Since then there is much controversy on this subject, without definitively has definitively closed the debate.

Recently, in February 2016, a group of Italian scientists from the University of Trento, led by Marco Paoli have published an interesting work that brings new light to that discussion. They have found in bees isotopic isomers of odorant molecules activate different olfactory glomeruli of their non-deuterated counterparts. (Two isotopic isomers differ only in their hydrogen atoms have been replaced by deuterium atoms, hydrogen atom identical, but with double mass.)

They have also verified that all bees’ glomeruli are sensitive to isotopic detection of odorants and only some of them are particularly sensitive to such detection. The aforementioned detection mechanism is not a substitute for formist one, but could be a variant or simply a complement of it.

 When it comes to very similar molecules, such as isotopic isomers or isotopomers, comes in a new way to detect odours. The conclusion of this work allows to authors of the same insinuating that it is possible that the mechanism by which bees capture odorant molecules is the vibrational type. Some recent work by other authors suggests the possibility of differentiating processes of isotopic odorant molecules in humans.

At this point, we ask the following: In our atmosphere there deuterated odorants in abundance?

The answer is no. So what biological sense has such kind of discovery?

To answer that second question we consider the following hypothesis: "The mechanism of differentiation between odorant molecules deuterated is an obsolete and non functional mechanism. This would mean that the said mechanism generated by evolution, was operating in past times. It has now been deprecated, but is still there, in the genotype of some living things. "

Note that, although certain isotopes, under laboratory conditions, activated glomeruli bees of antennal lobe, does not mean that they in their daily life, they go through the countryside smelling such isotopes. Nor do we know what happens when activated in vitro such glomeruli: Bees smell something? If the mechanism is really obsolete, most likely not experience any olfactory sensation.

 Then a new question arises: When did that ability to differentiate isotopes in bees?

We propose a new hypothesis: "Possibly emerged in the process of evolution of the first insects, more than 300 million years ago in the so-called Devonian period. In those days it was quite possibly the most abundant deuterium now in the Earth's atmosphere and not be surprising that certain flowers synthetized odorant molecules, such as rose, carnation and jasmine incorporating deuterium sap. The evolution allowed discrimination of her homologues not deuterated. Bees, hundreds of millions of years later, inherit the first insects that special sense of smell. "

Following the above, the question of whether the ability of bees to distinguish odorants isotopes due to the vibrational theory of Luca Turin is still in the air. We believe that new laboratory tests should be carried out, for example verifying the role of NADH or Zn ⁺² to answer yes or no to that question.

 In any case it seems that the early bees of Cretaceous preferred make their honey with flowers less contaminated with heavy elements, such as hydrogen isotope still young. The evolution allowed choosing what suited them. Possibly the honey of spring, tasty and nutritious, was more digestible for the larvae of bees from plants that that with deuterium in his veins.

Below we briefly summarize the basics of conformist and vibrational theories. Also we recommend two bibliographic items for anyone who wishes to go deeper into the subject.

The formist recognition model of odorant molecules by the olfactory system is based on certain properties of this class of molecules, such as size, shape, electric charge and hydrophobicity of them. It is a key-lock type model in which the odorant molecule (ligand) interacts with the olfactory receptor, a protein-membrane 7, anchored in the cell wall of the olfactory neuron.

The process involves activating olfactory receptor by a conformational change of the protein structure forming the olfactory receptor. This activation triggers a cascade of enzymatic reactions and the formation of an electrical pulse which is transmitted by the neuronal axon to a glomerulus, or place of concentration of neural impulses in the olfactory bulb.

The olfactory bulb is a brain area in which the glomeruli are stored, something like the dresser of different types of aromas and perfumes that we perceive.

The interaction of neurons in the olfactory bulb with others from different parts of the brain is different maps of olfactory sensations. When we notice a smell is illuminated one of those maps, consisting of hundreds of thousands of synaptic connections between neurons. Actually odorant molecules are odorless and only serve as a key that activates the olfactory sensations, a paradox. We smell to the brain.

In humans there are 347 functional olfactory receptors and about 650 are inoperative. This is because in the family of genes encoding proteins most thereof are pseudogenes, or genes that have lost their functionality, possibly along evolution. This family of genes, that encode olfactory receptors, was discovered in 1991 by Americans Richard Axel and Linda Buck. For this work received the 2004 Nobel Prize in medicine and physiology. Later they work also showed both how smell works following a rules similar to the unlimited capacity of combination of the digits of a padlock.

In the vibrational theory proposed by Luca Turin, nose acts as a biological spectroscope. Odorant molecules vibrate due to its atomic bonds. When excited with the energy of coenzyme NADH, a specific amount of energy released, it is selectively taken up by the olfactory receptors, thanks to a complex quantum inelastic tunneling mechanism.

Bibliography:

- Bridging the Olfactory Code. Francesc Montejo. Perfumer and Flavorist. July 2009 Vol.37, No. 7.

- Odour Differential Coding of Isopomers in the Honeybee Brain. Marco Paoli et al. Scientifics reports. University of Trento. February 2016.

MIEL DE PRIMAVERA: NUEVOS ENIGMAS DEL CÓDIGO OLFATIVO

         

La activación de los receptores olfativos por medio de moléculas odorantes se produce mediante un mecanismo basado en la forma. Se trata en una interacción del tipo enzima-sustrato. Así es como lo cree la mayor parte de la comunidad científica.

La teoría vibracional propuesta por el biofísico Luca Turín en 1996 señala que los receptores olfativos captan selectivamente la energía vibracional de las moléculas odorantes. Desde entonces existe una gran controversia sobre ese tema, sin que de forma definitiva se haya cerrado el debate.

Recientemente, en febrero de 2016, un grupo de científicos italianos de la universidad de Trento, encabezados por Marco Paoli han publicado un interesante trabajo que aporta nueva luz a la citada discusión. Han comprobado en abejas que isómeros isotópicos de moléculas odorantes activan glomérulos olfativos distintos de sus homónimos no deuterados. (Dos isómeros isotópicos difieren entre sí únicamente en que sus átomos de hidrógeno han sido sustituidos por átomos de deuterio, un átomo idéntico al hidrógeno, pero con doble masa.)

Han verificado asimismo que todos los glomérulos de las abejas son sensibles, aunque débilmente,  a la detección de odorantes isotópicos y que solo una parte de ellos son enérgicamente sensibles a ese tipo de detección. El citado mecanismo de activación no es sustitutivo del formista, sino que podría ser una variante o  simplemente un complemento del mismo.

 Cuando se trata de moléculas muy parecidas, como los isómeros isotópicos,  entra en juego una nueva forma de descubrir olores. La conclusión de este trabajo permite a los autores del mismo insinuar que es posible que el mecanismo por el que las abejas captan las moléculas odorantes sea del tipo vibracional. Algunos trabajos recientes de otros autores también apuntan la posibilidad de procesos diferenciadores de moléculas odorantes isotópicas en seres humanos.

Llegados a este punto, nos preguntamos lo siguiente: ¿En nuestra atmósfera existen odorantes deuterados en abundancia?

La respuesta es no. Entonces, ¿qué sentido biológico posee tal tipo de descubrimiento?

Para contestar a esa segunda cuestión consideremos la siguiente hipótesis: “El mecanismo de diferenciación entre moléculas odorantes deuteradas es un mecanismo obsoleto y no funcional. Ello significaría que el citado mecanismo, generado por evolución, estuvo operacional en tiempos pretéritos. Actualmente ha quedado en desuso, pero sigue estando ahí, en el genotipo de algunos seres vivos.”

Téngase presente que aunque ciertos isótopos, en condiciones de laboratorio activen glomérulos del lóbulo antenal de  las abejas, no significa que éstas en su vida cotidiana, vayan por el campo oliendo tales isótopos. Tampoco sabemos que sucede cuando se activan in vitro tales glomérulos: ¿Las abejas huelen algo? Si el mecanismo está realmente obsoleto, lo más probable es que no experimenten ninguna sensación olfativa.

 Ahora nos surge una nueva cuestión: ¿Cuándo apareció esa habilidad para diferenciar isótopos en las abejas?

Proponemos una nueva hipótesis: “Posiblemente surgió en el proceso de evolución de los primeros insectos, hace más de 300 millones de años, en el llamado periodo Devónico. En aquellos tiempos posiblemente el deuterio era bastante más abundante que ahora en la atmósfera terrestre, a consecuencia de la eclosión del Big Bang, y no sería extraño que ciertas plantas sintetizasen moléculas odorantes, como las de la rosa, el clavel o el jazmín incorporando deuterio a su savia. La evolución permitió  la discriminación  de sus homólogas no deuteradas. Las abejas, cientos de millones de años más tarde, heredarían de los primeros insectos esa capacidad olfativa tan especial.”

Tras todo lo expuesto, queda aún en el aire la pregunta de si la capacidad de las abejas de distinguir isótopos odorantes obedece a la teoría vibracional de Luca Turín. Creemos que deberían realizarse nuevos ensayos de laboratorio, verificando por ejemplo el papel del NADH o el Zn ⁺²  , argumentados por el biofísico italiano como elementos clave de su hipótesis, para responder afirmativa o negativamente a esa cuestión.

 En cualquier caso parece que las abejas del Cretácido temprano  preferían elaborar su miel con flores menos contaminadas con elementos pesados, como el aún entonces joven isótopo del hidrógeno. La evolución les permitió elegir lo que más les convenía. Posiblemente aquella miel de primavera, sabrosa y nutritiva, era más digestiva para las larvas de las abejas que la procedente de plantas con deuterio en sus venas.

A continuación resumo brevemente los fundamentos de las teorías formista y vibracional. Recomiendo asimismo dos artículos bibliográficos para que quién lo desee pueda profundizar más en el tema.

El modelo formista de  reconocimiento de moléculas odorantes por parte del sistema olfativo se fundamenta en ciertas propiedades de esa clase de moléculas, como el tamaño, la forma, la carga eléctrica y el carácter hidrofóbico de las mismas. Se trata de un modelo tipo llave-cerradura en el que la molécula odorante (ligando) interacciona con el receptor olfativo, una proteína 7-membrana, anclada en la pared celular de la neurona olfativa.

El proceso consiste en la activación del receptor olfativo mediante un cambio de conformación  de la estructura de la proteína que constituye ese receptor olfativo. Esta fase previa desencadena una cascada de reacciones enzimáticas y la formación de un impulso eléctrico que se transmite por el axón neuronal hasta un glomérulo,  o lugar de concentración de impulsos neuronales, en el bulbo olfativo.

El bulbo olfativo es una zona cerebral en el que se almacenan los glomérulos, algo así como el aparador que clasifica ordenadamente los distintos tipos de aromas y perfumes que percibimos.

La interacción de las neuronas del bulbo olfativo con otras de distintas partes del cerebro constituye los diferentes mapas de sensaciones olfativas. Cuando notamos un olor significa que se ha iluminado uno de esos mapas, formado por cientos de miles de conexiones sinápticas entre neuronas. En realidad las moléculas odorantes son inodoras y solo sirven como llave que activa las sensaciones olfativas, toda una paradoja. Nosotros olemos con el cerebro.

En el ser humano existen 347 receptores olfativos funcionales y unos 650 que son inoperantes. Esto se debe a que en la familia de genes que codifican las proteínas la mayor parte de los mismos son pseudogenes, o genes que han perdido su funcionalidad, posiblemente a lo largo de la evolución. Esta familia de genes que codifican los receptores olfativos fue descubierta en 1991 por los americanos Richard Axel y Linda Buck. Por ese trabajo recibieron en 2004 el premio Nobel de medicina y de fisiología. Asimismo trabajos posteriores de ambos mostraron cómo funciona el olfato siguiendo una reglas parecidas a la capacidad ilimitada de combinación de los dígitos de un candado.

En la teoría vibracional propuesta por Luca Turín, la nariz se comporta como un espectroscopio biológico. Las moléculas odorantes vibran debido a sus enlaces atómicos. Cuando son excitadas con la energía del coenzima NADH, una  cantidad concreta de energía liberada, es captada selectivamente por los receptores olfativos, gracias a un complejo mecanismo cuántico de efecto túnel inelástico.

Bibliografía:

-                    Bridging the Olfactory Code. Francesc Montejo. Perfumer and Flavorist. July 2009. Vol.37, nº 7.

-                    Differential Odour Coding of Isopomers in the Honeybee Brain. Marco Paoli et al. Scientifics reports. University of Trento. February 2016.