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Los misterios de los aromas

Una brasileña descubre las bases neurológicas y genéticas del olfato

016-021_Cheiros_155No es necesario ponerse delante del horno para saber cuál será el postre de la cena. De la masa de la tarta se desprenden moléculas de olor que se expanden por el aire, penetran en las narinas y alcanzan un grupo especial de células en el sector interno de la nariz, cercano con la base del cráneo, disparando mensajes químicos que permiten al cerebro descifrar el sabor de la tarta: manzana, con una pizca de canela. Sin olfato no existe placer al comer: el repertorio de la lengua se limita a salado, dulce, amargo, ácido y umami el sabor del glutamato monosódico, el Ajinomoto japonés. La capacidad para percibir aromas es lo que otorga sentido a los condimentos y hierbas aromáticas, y que permite distinguir entre un jugo de naranja y uno de ananás. En los últimos años comenzó a conocerse más detalladamente cómo es que el sistema olfativo descifra los olores y permite, por ejemplo, que se distinga, sólo por el aroma, una rosa de un jazmín, o un vaso de leche en buen estado de otro con leche cortada. Parte de esos descubrimientos se deben al trabajo de la bioquímica Bettina Malnic, del Instituto de Química de la Universidad de São Paulo (IQ-USP).

Durante los últimos años, Bettina descifró lo que podría denominarse código de los olores, o sea, cómo es que las diferentes moléculas de olor interactúan con las neuronas y disparan las informaciones que serán interpretadas por el cerebro, permitiendo a los seres humanos distinguir un repertorio con miles de olores. Ella descubrió que cada molécula de olor se encaja en varios tipos de proteínas en la superficie de las neuronas del fondo de la nariz. Resulta como si cada molécula de olor fuese como una minúscula estrella en la que no todas sus puntas fueran iguales y cada punta diferente presenta afinidad con un receptor. Cada receptor, a su vez, puede recibir estrellas con composiciones distintas, siempre y cuando alguna de las puntas posea las características necesarias para encajar en él.

Esa constatación llevó a la investigadora a concluir que el sistema nervioso reconoce cada molécula mediante el conjunto de receptores específicos en los cuales ella se encaja, y no mediante sólo uno de ellos. El código de combinaciones aumenta en gran medida el repertorio del olfato humano. Si cada molécula se conectase con un único receptor, sólo seríamos capaces de identificar alrededor de 400 olores el número aproximado de tipos de receptores distintos que existen en la nariz humana. Así, ella abrió las puertas para descifrar el código que rige la percepción olfativa humana.

Bettina comenzó a trabajar en esa línea de investigación aun naciente casi por casualidad, cuando en 1996 fue a hacer un posdoctorado en el Centro Médico de Harvard, en Estados Unidos. La idea inicial era dedicarse a otro tema, pero se maravilló con el trabajo de la neurocientífica Linda Buck, quién cinco años antes identificara los genes de los receptores olfativos y estimara que existirían algo más de mil tipos diferentes de esos receptores en las narices de los mamíferos. La importancia de este descubrimiento, realizado mientras Linda trabajaba en el laboratorio de Richard Axel en la Universidad de Columbia, en Nueva York, fue oficialmente reconocida en 2004 cuando el dúo norteamericano recibió el Premio Nobel de Medicina y Fisiología. Por su contribución a lo que se conoce acerca de cómo los animales identifican los olores, Bettina recibió una invitación de Linda para participar de la ceremonia de entrega del premio.

Orfanato molecular
Con 400 tipos diferentes, los receptores olfativos constituyen la mayor familia de proteínas del organismo humano. Aun así, es pequeña si se la compara con la de los mamíferos que dependen del olfato para sobrevivir: esos 400 corresponden a un tercio de la capacidad de los ratones y la mitad de los que definen el celebrado olfato canino. Hasta el comienzo del trabajo de Bettina en Estados Unidos, dichos receptores todavía eran huérfanos el término utilizado por los especialistas para indicar que ellos no poseían colaboradores conocidos. En el transcurso de casi cuatro años, ella identificó los olores que se encajan en 14 de esos receptores. Además de reducir la cantidad de huérfanos y descubrir que el cerebro reconoce combinaciones y no receptores específicos, Bettina confirmó que cada neurona olfativa sólo produce receptores de un mismo tipo. Miles de ellos.

El proceso para arribar a esos descubrimientos era trabajoso y lento. En el laboratorio, ella exponía neuronas olfativas de ratones a una molécula de olor específica por vez. Pronto contó con la ayuda de un grupo de japoneses expertos en detectar, mediante un colorante color rosado, cuáles eran las células activadas por la molécula. En Japón, ellos extraían cada una de las neuronas activadas y las enviaban nuevamente hacia Estados Unidos para que Bettina pudiese identificar el tramo de ADN con la receta para el receptor, que de este modo era identificado.

Bettina es la única especialista brasileña en funcionamiento molecular de las neuronas olfativas, además de los investigadores que ella misma formó desde el  año 2000, cuando creó el Laboratorio de Neurociencia Molecular en el IQ-USP. Recientemente, ella desarrolló un método más eficaz para trazar un mapa de la percepción de los olores basándose en una proteína que identificó en 2005, con ayuda de Luiz Eduardo von Dannecker y Adriana Mercadante. Esta es la Ric-8B, que prácticamente sólo existe en las neuronas olfativas siempre asociada con los receptores descubiertos por Linda Back. Luego de pasar tres años investigando el funcionamiento de esa proteína, el grupo de la USP cuenta ahora con una mejor idea de cómo es que ella funciona. Los resultados más recientes, publicados en julio de 2008 en la revista Molecular and Cellular Neuroscience que forman parte de la tesis doctoral de Daniel Kerr, muestran que la Ric-8B interactúa con diversas subunidades de otra proteína la G olfativa (Golf)-, hasta entonces considerada la principal responsable de activar la cascada bioquímica que activa las neuronas del olfato. La Ric-8B amplifica la acción de la Golf, tornando perceptible la activación de las neuronas, explica Bettina.

Además de resultar esencial para incrementar la sensibilidad para percibir aromas sutiles, esa amplificación también permite a los investigadores detectar actividad en los receptores olfativos en laboratorio. Para mejorar la eficiencia con la que asocia receptores y moléculas, ella está desarrollando un ingenioso método que presentó en agosto pasado en el Congreso Brasileño de Farmacología y Terapéutica Experimental, en Águas de Lindoia (São Paulo – Brasil), y será publicado a la brevedad en la revista Annals of teh New Cork Academy of Sciences. Ella pretende distribuir células entre los 96 compartimentos de una bandeja plástica similar a una cubitera en miniatura, dónde podrá de una vez presentar 96 tipos de moléculas de olor a las células con un mismo receptor o probar la reacción de diferentes receptores para un mismo aroma. Los investigadores agregaron a la receta una proteína que produce una sustancia fluorescente cuando las células son activadas. Entonces bastará exponer la placa en un lector de fluorescencia para identificar en qué compartimentos hubo activación. Ese método acelerará el trabajo, antes muy lento, y que difícilmente podría aplicarse en gran escala.

Sería un experimento sencillo si se tratase sólo de eso. Como no resulta posible utilizar las propias neuronas olfativas, en las cuales no se conocen de antemano cuáles receptores se hallan presentes, Bettina tuvo que desarrollar una técnica para fabricar las células experimentales: cultivar células renales humanas en las cuales inserta las instrucciones genéticas para producir un determinado receptor olfativo. Aunque ya se contaba con el conocimiento para mantener y manipular esas células en laboratorio, en un primer momento fue difícil lograr que se comportasen como neuronas. El receptor quedaba dentro de la célula y no se desplazaba hacia la membrana, donde precisaba localizarse para tener contacto con los olores presentes en el aire, explica la bioquímica.

Quien resolvió el problema fue el japonés Hiroaki Matsunami, contemporáneo de Bettina en el laboratorio de Linda Back y actualmente radicado en la Universidad Duke, en Estados Unidos. Así como la brasileña, éste presentó resultados recientes de su trabajo, en el mes de julio, en la ciudad estadounidense de San Francisco, en el marco del Simposio Internacional de Olfato y Paladar (cuyo mejor patrocinador es la empresa Ajinomoto Co.). Independientemente de Bettina, él descubrió otra proteína esencial para la percepción de los olores. Es la proteína transportadora del receptor (RTP), que ayuda a conducir los receptores de la región en la que se produce, en el interior de la neurona, hacia la superficie de la célula. En un artículo publicado en agosto en la revista Nature Protocols, Matsunami reveló que basta implantarla en células junto con el gen que codifica un receptor para que éste migre hacia la superficie de la célula.

Bettina inserta la RTP en las células renales. Con todo, sin acrecentar la Ric-8B que amplifica la activación, no conseguía detectar la reacción de la célula experimental a las moléculas de olor. Con el sistema completo, ella considera que durante el próximo año, ello la ayudará para sacar de la orfandad a buena parte de los receptores olfativos. Contamos con la secuencia genética de todos los receptores en el banco de datos del Proyecto genoma Humano, afirma la investigadora, quién pretende iniciar esa nueva fase de experimentos evaluando los receptores humanos que no existen en ratones o perros alrededor de 20- para verificar cuáles sustancias son las que ellos reconocen.

Ahora que ya se sabe cómo funciona la Ric-8B en células in vitro, uno de los próximos pasos es investigar su función en ratones vivos. Para ello, Bettina contrató los servicios del Centro de Desarrollo de Modelos Experimentales para Medicina y Biología de la Universidad Federal de São Paulo (Unifesp), que criará ratones con alteraciones en los genes responsables de la producción de la Ric-8B y verificar si, sin esa proteína amplificadora, los animales mantienen su sensibilidad olfativa intacta.

Olfato en evolución
La identificación de las moléculas de olor que se encajan en cada receptor y la comprensión de cómo funcionan las vías olfativas puede ayudar a esclarecer un misterio que intriga a los investigadores del área: cómo la capacidad de detectar aromas se alteró en el curso de la evolución de las especies. Un artículo de revisión escrito por Masatoshi Nei, un renombrado especialista en teoría evolutiva de la Universidad del Estado de Pennsylvania, Estados Unidos, y publicado en 2008 en la revista Nature Reviews Genetics, analiza la influencia del azar y de la necesidad evolutiva de los receptores del gusto y el olfato. Nei revela que los seres humanos y los chimpancés poseen repertorios olfativos de similar tamaño que fueron disminuyendo a lo largo de la evolución: ambas especies cuentan con alrededor de 800 genes para producir receptores olfativos, pero menos de la mitad de ellos son funcionales. La otra mitad perdió la función original son los denominados seudogenes. Comparados con el hombre, los ratones poseen el triple de genes activos, alrededor de 1.200, además de casi 400 que dejaron de funcionar en el curso de la evolución. Los investigadores que estudian la evolución del olfato consideran que las especies que dependen en menor medida del olfato en el transcurso del tiempo acumularon mutaciones y perdieron la función de ciertos genes. Es el caso de los hombres y los chimpancés, que cuentan, para enfrentar los desafíos cotidianos, con una visión nítida, en colores y que permite la percepción en profundidad.

La bióloga estadounidense Barbara Trask, del centro Fred Hutchinson de Investigación sobre el Cáncer, con sede en Seattle, encontró pistas para la explicación de cómo surgen variaciones en la sensibilidad a los olores. Su grupo revisó el genoma humano en búsqueda de alteraciones en el conjunto de genes relacionados con los receptores olfativos. Halló gran variación en el número de copias, que surge cuando partes del material genético son duplicadas y permanecen en el genoma. El gen para un determinado receptor olfativo puede copiarse innumerables veces y cada copia puede sufrir modificaciones. El proceso puede permitir que se creen nuevos receptores o, por el contrario, originar tantos cambios que el gen se torna inviable. En un artículo publicado en agosto en el American Journal of Human Genetics, el grupo de Barbara expresa que encontró un número de copias variable en 16 de los genes funcionales para receptores olfativos. En casos extremos, las mutaciones en genes de receptores olfativos pueden tornar a las personas insensibles a ciertos aromas una condición conocida como anosmia. Pero cuando origina cambios menos drásticos, esa variación genera diferencias en cómo las personas perciben los olores. De ese modo, los estudios genéticos tal vez logren revelar si dos personas que aspiran un aroma de la misma taza de café o comen un mismo trozo de pastel presentan idénticas sensaciones. Como dice Bettina en el libro O cheiro das coisas [El aroma de las cosas], publicado en 2008 por editorial Vieira & Lent, dos personas pueden ser diferentes en la manera de oler el mundo.

Del ADN al cerebro
La bioquímica de la USP también se halla interesada en los misterios del genoma. Ella intenta entender aquello que regula la actividad de los genes que producen los receptores de los olores. Todas las neuronas olfativas poseen el mismo conjunto de genes dentro de sus núcleos, pero cada uno de ellos sólo produce un tipo de receptor en los seres humanos, una elección de una entre 400 opciones. Cómo elije cada célula cuál receptor presentar a la nariz aún es un misterio, pero en un artículo publicado en 2006 en la revista Genoma Research, Bettina indica por dónde comenzar la búsqueda de respuestas. Junto con los doctorandos Jussara Michaloski y Pedro Galante, ella analizó 198 genes de receptores olfativos de ratones y demostró que todos poseen tramos de ADN semejantes. Según la investigadora, las características y la ubicación de esos segmentos indican que ellos funcionan como blanco para las moléculas responsables de unir o separar cada gen. Del mismo modo que los interruptores de las luces deben presentar características similares para que un visitante reconozca su función, los interruptores genéticos también precisan poseer elementos en común.

Existen mucho más que genes y receptores para armar un mapa completo de los olores en el cerebro. El trabajo de Linda Back y Richard Axel demostró que las proyecciones de las neuronas olfativas con receptores similares se reúnen en nervios antes de alcanzar el bulbo olfativo, una estructura alargada ubicada en la región frontal inferior del cerebro. Por consiguiente, el bulbo humano se divide en alrededor de 400 regiones los glomérulos-, cada una de ellas activada por un único tipo de receptor de olor. El póster producido por la Fundación Nobel en 2004 presenta la ilustración de una cabeza en la cual aparece el sistema nervioso olfativo, mostrando cómo las innumerables proyecciones que tapizan la nariz se unen en nervios antes de llegar al bulbo olfativo. Pero la imagen no muestra lo que existe después del bulbo, tal como si el trayecto acabase allí. Para descubrir cómo llega la información al cerebro sería necesario visualizar una sustancia que pase de una neurona a otra, pero no existe todavía un buen método para realizar eso, explica Bettina. La ganadora del Premio Nobel, ahora radicada en el Centro Fred Hutchinson de Investigación sobre el Cáncer, justamente se encuentra abocada a desarrollar esa técnica.

Lo que se conoce es que las neuronas olfativas finalmente activan regiones diferentes del cerebro tales como el córtex olfativo, responsable de la identificación de los olores, el hipotálamo, que influye sobre comportamientos tales como el apetito o el impulso sexual, la amígdala, que atañe a las emociones y el hipocampo, de importancia para la formación de la memoria olfativa. Es esa anatomía compleja, la que hace que un perfume evoque recuerdos de la infancia, que el aroma de un pastel saliendo del horno estimule el apetito y que las mujeres que viven juntas comiencen a presentar ciclos menstruales sincronizados sin percatarse de los aromas hormonales que pululan en el aire.

Los códigos de los aromas

Las moléculas de olor son como estrellas de puntas coloridas. Cada extremo se conecta sólo con un receptor olfativo específico amarillo con amarillo, rojo con rojo-, en el fondo de la nariz. Las estrellas multicolores pueden de este modo encajarse en diversos receptores, y en cada tipo de receptor pueden recalar estrellas distintas, siempre que por lo menos una de las puntas presente el color adecuado.

El Proyecto
Receptores acoplados a la proteína G y sensación química (07/50743-9); Modalidad: Proyecto Temático; Coordinadora: Bettina Malnic – (IQ-USP); Inversión: R$ 367.190,09

Artículos científicos
KERR, D.S. et al. Ric-8B interacts with Gαolf and Gγ13 and colocalizes with Gαolf, Gβ1 and Gγ13 in the cilia of olfactory sensory neurons. Molecular and Cellular Neuroscience. v. 38, n. 3, p. 341-348. Julio 2008.
VON DANNECKER, L.E.C. et al. Ric-8B promotes functional expression of odorant receptors. PNAS. v. 103, n. 24, p. 9.310-9.314. Junio 2006.
MALNIC, B. Searching for the ligands of odorant receptors. Molecular Neurobiology. v. 35, n. 2, p. 175-181. Abril 2007.
MALNIC, B. et al. Combinatorial receptor codes for odors. Cell. v. 96, n. 5, p. 713-723. Marzo 1999.