Geruchsspuren nachweisen Der Funktionsweise von Geruchsrezeptoren auf der Spur

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie und der Friedrich-Schiller Universität Jena haben eine neue Funktionsweise eines Geruchsrezeptors der Fruchtfliege ermittelt. Die Forscher entdeckten, dass die Umwandlung eines Duftsignals in einen Reiz auf unterschiedlich schnellen Wegen erfolgen kann. Die empfindliche und direkte Wahrnehmung von Duftstoffen bietet für das Insekt einen evolutionären Vorteil.

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Max-Planck-Institut für chemische Ökologie

Jena – Insekten können Sexuallockstoffe oder Nahrungssignale bereits in geringsten Konzentrationen wahrnehmen. Zur Erforschung der hoch sensiblen Reizverwertung in Insekten haben Wissenschaftler um Dieter Wicher und Bill Hansson vom MPI für chemische Ökologie die Geruchsrezeptoren der Fruchtfliege mithilfe des Patch Clamp-Verfahrens untersucht und eine neue Funktion entdeckt.

Vereinfachte Signalübermittlung

Bindet ein flüchtiges Molekül mit den Eigenschaften eines Duftsignals an einen membrangebundenen Rezeptor, produziert die Zelle über G-Proteine den Botenstoff cAMP, der wiederum Ionenkanäle der Membran öffnet. Durch die Öffnung der Membran entsteht ein elektrischer Impuls, der im Gehirn eines Tieres weiterverarbeitet wird.

Die Wissenschaftler aus Jena haben herausgefunden, dass die Fruchtfliege Drosophila melanogaster dieses aus mehreren Schritten bestehende System umgehen kann. Rezeptor und Ionenkanal bilden einen integrierten Schaltkreis, der auch ohne Umwege ein Duftsignal in einen Reiz umwandeln kann. Nach Ansicht der Forscher lassen sich so Duftmoleküle sicherer und schneller wahrnehmen, woraus ein evolutionärer Vorteil für das Insekt resultiert.

Die Geruchsrezeptoren der Fruchtfliege (s. Abbildung: Antennen grün hervorgehoben; Balken im Bildausschnitt: 20 µm; Max-Planck-Institut für chemische Ökologie/Hansson, Wicher) sind Protein-Dimere, die aus einem konventionellen Duftrezeptor (Or22a) und einem Ionenkanal (Or83b) bestehen und sowohl schnelle als auch sensitive Reaktionen auf Duftmoleküle vermitteln können. Im Vergleich zu anderen Tieren befinden sich die beiden Proteine in der Membran bei Insekten in umgekehrter Orientierung.

Von Umweltanalysen bis hin zur Kriminalistik

Patch Clamp-basierte Experimente mit Zelllinien, in denen Or22a oder Or83b einzeln oder gemeinsam in die Membran eingebettet vorlagen, zeigten dass bei hoher Außenkonzentration des als Duftmolekül verwendeten Ethylbutyrats (Etb, Butansäureethylester) das Or22a/Or83b Dimer quasi direkt durchschaltet. Dieser Prozess ruft eine schnelle Verhaltensreaktion des Insekts hervor. Bei niedrigen Etb-Konzentrationen verläuft die Reizweiterleitung dagegen biochemisch via G-Proteine und cAMP als Botenstoff, allerdings sehr viel sensitiver verglichen mit anderen Tieren. Das Insekt detektiert die wenigen Signalmoleküle in der Luft und kann beginnen, die Nahrungsquelle oder den Geschlechtspartner sicher anzusteuern.

In dem Forschungsprojekt wird eine Art Roboter entwickelt, der geringe Geruchsspuren verschiedenster Art nachweisen soll. Diese Technik könnte von Umweltanalysen bis hin zur Kriminalistik unterschiedlich angewendet werden.

Originalveröffentlichung: Dieter Wicher, Ronny Schäfer, René Bauernfeind, Marcus C. Stensmyr, Regine Heller, Stefan H. Heinemann, Bill S. Hansson: Drosophila odorant receptors are both ligand-gated and cyclic nucleotide-activated cation channels. Nature, Advanced Online First Publication, 13. April 2008, DOI 10.1038/nature06861.

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