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Olfaktometrie

Die Nase als Detektor

| Redakteur: Dipl.-Chem. Marc Platthaus

Die Olfaktometrie nutzt die menschliche Nase als hochempfindlichen Detektor in der Analytik. Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) fördert ein Projekt, in dem das Verständnis für den Geruchssinn weiterentwickelt werden soll. Projektleiter Prof. Giovanni Galizia beschreibt im LP-Exklusivinterview, wie diese Forschung Leben retten kann.

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Die Olfaktometrie nutzt die menschliche Nase als hochempfindlichen Detektor.
Die Olfaktometrie nutzt die menschliche Nase als hochempfindlichen Detektor.
( Archiv: Vogel Business Media )

LaborPraxis: Herr Prof. Galizia, durch die Nase atmen wir nicht nur ein und aus, sondern nehmen auch Duftstoffe auf, die in unserem Gehirn analysiert werden. Wie funktioniert dieser Mechanismus überhaupt?

Prof. Galizia: Die Grundprinzipien der Duftverarbeitung im Gehirn sind bei vielen Tierarten – Säugetiere, Fische und Insekten – erstaunlich gleich: eine große Familie von Duftrezeptoren reagiert auf kleine Moleküle in der Luft (bzw. im Wasser) und das Gehirn extrahiert aus dem resultierenden Aktivitätsmuster die Information, um welchen Duft es sich handelt. Diese Verarbeitungsweise ist in der Evolution wiederholt entstanden, was auch daran zu erkennen ist, dass sich die neuronalen Netzwerke in den Details durchaus unterscheiden. Jenseits der Verarbeitungsmechanismen gibt es aber auch große Unterschiede in der Duftwelt: Wir Menschen sind für viele Duftstoffe anosmisch – wir können sie also nicht riechen. Für andere Arten können diese Düfte durchaus einen starken Reiz darstellen. Sowohl Empfindlichkeit als auch Valenz, ob ein Duft positiv oder negativ bewertet wird, sind zwischen den Arten sehr verschieden. Eine Schmeißfliege wird beispielsweise von anderen Düften angezogen als eine Honigbiene. Besonders unterscheiden sich die Arten aber bei den Düften, die sie zur intraspezifischen Kommunikation einsetzen, den Pheromonen. Nicht nur die Substanzen, die als Pheromone eingesetzt werden, unterscheiden sich. Viele Arten haben auch spezielle Duftorgane oder Verarbeitungsbereiche im Gehirn evolviert.

LaborPraxis: Um die genauen Abläufe der Verarbeitung von Düften zu verstehen, wurde auf Ihre Initiative hin ein neuer Forschungsschwerpunkt der DFG zu diesem Thema eingerichtet. Auf welche Fragen erhoffen Sie sich Antworten?

Prof. Galizia: Die Erforschung der Olfaktorik ist in den letzten Jahren sehr viel stärker geworden. Das liegt an zwei Dingen: Zum einen liegt uns der Duftsinn – im Bewusstsein – ferner als andere Sinne, sodass die Erforschung des Sehsinns oder des Hörsinns relevanter erschien. Zum anderen waren lange Zeit nicht einmal die Duftrezeptoren bekannt, was eine molekulare Analyse erschwerte. Durch die große Vielfalt an Duftrezeptoren sind zudem Methoden nötig, mit denen viele Zellen gleichzeitig gemessen werden können. Auch diese Techniken wurden erst vor kurzem entwickelt. Heute verstehen wir viel über die ersten Schritte der Duftverarbeitung, aber noch sehr wenig darüber, wie diese ersten Schritte über die neuronale Verschaltung zu einem Verhalten führen. Das große Anliegen im Forschungsschwerpunkt ist daher die integrative Analyse der Duftkodierung von den Rezeptoren zum Verhalten. Dabei nutzen wir auch die Artenvielfalt aus dem Tierreich. Denn die Unterschiede zwischen den Lösungen bei verschiedenen Tierarten können uns aufzeigen, was die essenziellen Verarbeitungsschritte sind. Hier wird der Dialog zwischen den auf ganz Deutschland verteilten Arbeitsgruppen im Schwerpunktprogramm besonders wichtig.

LaborPraxis: Welche Analysemethoden verwenden Sie bei Ihren Untersuchungen?

Prof. Galizia: Im Schwerpunktprogramm wird olfaktorische Verarbeitung vom Rezeptorgen bis zum Verhalten untersucht, und dementsprechend breit ist das methodische Repertoire: Molekularbiologie, Zellbiologie, Elektrophysiologie und Imaging kommt genauso vor wie mikroskopische Anatomie, Verhaltensversuche und Computersimulationen. Insekten, Fische, Säugetiere – auch Menschen – sind die Modelltiere.

LaborPraxis: Welchen Nutzen für den Alltag versprechen Sie sich von den Ergebnissen Ihrer Forschung? Bitte nennen Sie unseren Lesern einige Beispiele.

Prof. Galizia: Grundlagenforschung hat an sich schon einen großen Nutzen, wenn sie kommuniziert wird, denn es gehört zur Kultur des Menschen, dass wir wissen wollen, wie die Welt um uns herum beschaffen ist und wie sie funktioniert. Dennoch wird unsere Forschung auch ganz praktische Auswirkungen haben. So ist eine Anosmie, also der selektive oder vollständige Verlust des Duftsinns, eine Krankheit, die die Lebensqualität stark beeinträchtigt und in manchen Situationen lebensgefährlich ist. Denken Sie nur an ein Feuer oder an ein Leck in der Gasleitung. Anosmien sind auch die ersten Symptome in mehreren neurodegenerativen Erkrankungen, wie etwa bei Alzheimer. Das liegt daran, dass im olfaktorischen System das ganze Leben lang viele neue Nervenzellen produziert werden – die Duftforschung hat hier ganz konkrete medizinische Bedeutung. Düfte beeinflussen uns auch stark unterbewusst. Bei Schülern etwa ist die Leistung auch vom Duft des Klassenraums abhängig. Doch wir wissen noch nicht einmal, auf welche Düfte die einzelnen Duftrezeptoren in der Nase reagieren. Und mit unserem Verständnis der Duftverarbeitung bei Tieren können wir auch die Technik verbessern, mit der Düfte überwacht werden – Stichwort künstliche Nasen und Roboter. Ein weiterer Bereich liegt im Umweltschutz und in der Landwirtschaft: Tiere orientieren sich oft an Düften, sodass durch Düfte Tiere geschützt oder Schädlinge auf umweltfreundliche Art bekämpft werden können.

LaborPraxis: Womit beschäftigt sich Ihre Arbeitsgruppe an der Universität Konstanz derzeit?

Prof. Galizia: Wir untersuchen in Konstanz das olfaktorische System bei Insekten, insbesondere bei Bienen und bei der Fruchtfliege Drosophila melanogaster. Besonders interessiert uns das erste neuronale Netzwerk im Gehirn der Insekten, das die Düfte verarbeitet. Dieses Netzwerk – der Antennallobus – ist ein wunderbares Beispiel für eine komplexe Verarbeitung mit relativ wenigen Zellen, die in ihrer Wechselwirkung komplexe raum-zeitlich strukturierte Aktivitäten erzeugen. Wir messen diese Aktivitäten und untersuchen, wie das Gehirn aus diesen Mustern die Duftinformation extrahiert, und wie sich das zugrundeliegende neuronale Netzwerk verändert, wenn das Tier zu den Düften etwas lernt – etwa wenn eine Honigbiene lernt, dass ein bestimmter Duft zu einer Blüte gehört, die gerade sehr guten Nektar produziert.

Herr Prof. Galizia, wir danken Ihnen für das Gespräch.

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