"Geruchs-Transistor" lässt Insekten kleinste Duftspuren erkennen

30. März 2013, 17:48
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Hochempfindliche Geruchsrezeptoren auf den Antennen arbeiten mit Selbstregulation-Mechanismus

Sie erkennen bereits wenige tausend Moleküle pro Milliliter Luft, während Menschen Hunderte von Millionen Moleküle benötigen, um einen Geruch wahrzunehmen: Auf den hochentwickelten Antennen vieler Insekten sitzen die besten chemischen Sensoren im Tierreich. Mit ihrer Hilfe sind sie perfekt ausgestattet für die Suche nach Nahrung, dem optimalen Eiablageplätze oder einem Geschlechtspartner. Deutsche Wissenschafter haben jetzt nachgewiesen, dass das enorme Geruchsvermögen von Insekten auf einer Selbstregulation ihrer Duftrezeptoren beruht, die bereits bei geringsten Mengen von Duftmolekülen unterhalb der Reaktionsschwelle in Gang gesetzt wird.

Die Forscher um Dieter Wicher, Bill Hansson und Merid N. Getahun vom Max-Planck-Institut für chemische Ökologie in Jena haben erstmals experimentell und mithilfe von Mutanten festgestellt, auf welchen Mechanismen die feine "Nase" der Insekten: Geringste Mengen von Duftmolekülen unterhalb der Reaktionsschwelle bewirken die Sensibilisierung bestimmter Duftrezeptoren, und das Auftreffen weiterer Moleküle kurz danach löst die Öffnung eines Ionenkanals aus, was Reaktion und Flugverhalten der Fliege steuert. Dies bedeutet, dass eine Geruchsstimulierung unterhalb der Reizschwelle die Sensibilität des Rezeptors erhöht. Kommt innerhalb einer bestimmten Zeitspanne ein zweiter Geruchsimpuls hinzu, wird eine neuronale Reaktion ausgelöst.

Der Mechanismus im Detail

Insekten-Duftrezeptoren bilden ein Rezeptorsystem, bestehend aus dem eigentlichen Rezeptor-Protein und einem Ionenkanal, die zusammengeschaltet und nach Bindung eines Geruchsmoleküls den empfindlichen Nervenreiz auslösen. Der Mechanismus war kürzlich am Rezeptorsystem Or22a-Orco beschrieben worden. Neben der Funktion als sogenannte ionotrope Rezeptoren, die nach Bindung von Duftmolekülen einen elektrischen Strom leiten, können Duftrezeptoren auch intrazelluläre Signale auslösen. Dabei kommt es zur Bildung von cyclischem Adenosinmonophosphat (cyclo- oder cAMP), das einen Stromfluss durch den Ko-Rezeptor Orco hervorruft. Die Bedeutung des schwachen und langsamen Stromflusses konnte bislang jedoch nicht geklärt werden.

Die Wissenschafter haben zahlreiche Experimente an Geruchsneuronen von Fruchtfliegen durchgeführt. Dabei haben sie winzige Mengen von Wirkstoffen direkt in die Sinneshärchen, die auf der Fliegenantenne die olfaktorischen Sinnesneuronen beherbergen, injiziert, die die Bildung von cAMP fördern, hemmen oder nachahmen. Als Geruchsstoff boten die Forscher den Fliegen das Ananas-ähnliche Buttersäureethylester an und maßen mithilfe von feinen, aus Glasfasern gefertigten Mikroelektroden die Aktivität der Nervenzellen. Als Kontrollgruppe dienten gentechnisch veränderte Fruchtfliegen, bei denen der Ko-Rezeptor Orco nicht mehr reaktionsfähig ist.

Ko-Rezeptor fungiert als Transistor

"Die Tatsache, dass die Mutanten einerseits nicht auf cAMP, vor allem aber auch auf die Hemmung oder Aktivierung beteiligter Schlüsselenzyme wie Proteinkinase C und Phospholipase C nicht reagierten, zeigt, dass das enorme Geruchsvermögen von Insekten über ihre Duftrezeptoren intrazellulär gesteuert wird", Dieter Wicher, Leiter der Forschungsgruppe. Die Kombination aus Duft- und Ko-Rezeptor Orco ähnelt einem Transistor, so Wicher weiter: Ein schwacher, elektrischer Basisstrom reicht aus, um den Hauptstrom an Ionen auszulösen, der dann das Neuron aktiviert. Dieser Prozess kann auch als eine Art Kurzzeitgedächtnis in der Insektennase betrachtet werden. Ein schwacher Reiz löst zwar beim ersten Mal noch keine Reaktion aus, wiederholt er sich allerdings innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, wird eine elektrische Reaktion ausgelöst. (red, derStandard.at, 30.3.2013)

  • Die Antennen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, hier in dunkelgelb schematisch dargestellt. Dunkelrot: Duftmoleküle. Rechts: Bei den empfindlichen Geruchsrezeptoren handelt es sich um Protein-Dimere, die aus einem Duftrezeptor (Or22a) und einem Ko-Rezeptor (Orco) bestehen und sehr sensitiv Reaktionen auf Duftmoleküle vermitteln können. Oben: Zustand der Sensibilisierung - schwacher Ionenfluss, bewirkt durch cAMP; unten: "Durchschalten" des Rezeptorsystems - Öffnung des Ionenkanals und elektrische Reizentstehung. Die Bilder sind der Animation entnommen.
    grafik: dieter wicher, max-planck-institut für chemische ökologie

    Die Antennen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster, hier in dunkelgelb schematisch dargestellt. Dunkelrot: Duftmoleküle. Rechts: Bei den empfindlichen Geruchsrezeptoren handelt es sich um Protein-Dimere, die aus einem Duftrezeptor (Or22a) und einem Ko-Rezeptor (Orco) bestehen und sehr sensitiv Reaktionen auf Duftmoleküle vermitteln können. Oben: Zustand der Sensibilisierung - schwacher Ionenfluss, bewirkt durch cAMP; unten: "Durchschalten" des Rezeptorsystems - Öffnung des Ionenkanals und elektrische Reizentstehung. Die Bilder sind der Animation entnommen.

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