Onze neus bedient zich van maar liefst duizend typen geurreceptoren. Mooie ontdekking, vond het Nobelcomité. Voor de geurstoffenindustrie betekent de ontdekking dat het ontwerpen van nieuwe geurmoleculen bijna onmogelijk is.
Dat het oplossen van het mysterie van de reuk een Nobelprijs waard was, had ik wel verwacht”, vertelt Charles Sell vanuit het Engelse Ashford, waar hij geurexpert is bij de afdeling organische chemie van geur- en smaakstoffabrikant Quest International. “Het Nobelonderzoek was voor ons ook erg interessant. De ontdekking van een grote genenfamilie van geurreceptoren door Richard Axel en Linda Buck en hun latere ontdekkingen maakt begrijpelijk waarom het voor ons vaak zo moeilijk is een relatie te vinden tussen molecuulstructuur en geur.”
Dichter bij huis deelt onderzoeker Erwin Tareilus van Unilever in Vlaardingen die mening. “Het Nobelprijsonderzoek is baanbrekend werk geweest. Er liggen bij Unilever nog geen producten op de plank die gebaseerd zijn op hun kennis van de werking van de geurreceptoren, maar hun inzichten helpen ons wel bij het kiezen van onze onderzoeksaanpak.”
Ruiken welke geurmoleculen de neus binnenwaaien is vele malen complexer dan kleuren zien of de smaak van een molecuul proeven. Op een menselijke tong zitten vijf typen smaakreceptoren en om kleuren te zien zijn slechts drie typen kleurenreceptoren nodig. Elk van die receptoren ‘ziet’ één kleur of proeft één smaak. Bij de reuk daarentegen zijn maar liefst duizend receptoren betrokken, ontdekten Axel en Buck in 1991.
De volgende doorbraak was de ontdekking van Buck dat elke afzonderlijke receptor reageert met meerdere verschillende geurstoffen. Daarnaast bindt elk geurend molecuul weer op meerdere geurreceptoren. “Een complex patroon van meer of minder geactiveerde receptoren per geurstof is het resultaat”, licht Sell toe. Een kleine structuurverandering in een geurstof heeft bovendien al gauw een ander effect op op zijn minst één van de receptoren waar het normaal aan bindt. Zo kunnen kleine verschillen in molecuulstructuur grote verschillen in geurperceptie opleveren.
Zelfs de concentratie van een stof is van invloed op de geurimpressie, vult Tareilus aan. “In een lage concentratie activeert een bepaalde geurstof alleen de voor die stof gevoeligste receptoren. Wordt de concentratie hoger, dan bindt de geurstof ook aan andere receptoren met een andere geurperceptie als gevolg. Dit effect treedt bij veel geurstoffen op, ook bijvoorbeeld bij de moleculen die de geur van bouillon en koffie veroorzaken.”
Creatieve organisch chemici
In december ontvangen Axel en Buck in Stockholm de Nobelprijs voor fysiologie of geneeskunde voor hun belangrijke bijdragen aan het ontrafelen van de werking van het reuksysteem, van de genetische basis tot aan de hersencircuits. Sell: “Dankzij hun onderzoek kennen we als ontwerpers van nieuwe geuren onze beperkingen. Geur is geen fysische grootheid. Het is wat de hersenen ervan maken.” Die kunnen bijvoorbeeld ook twee qua structuur verschillende moleculen als dezelfde geur ervaren. Zo verspreiden benzaldehyde en waterstofcyanide, geurstoffen die bittere amandelen van nature afgeven, afzonderlijk dezelfde geur van bittere amandelen ondanks hun structuurverschillen. Twee verschillende patronen van geactiveerde receptoren worden hierbij dus in de hersenen op dezelfde manier geïnterpreteerd.
De complexiteit van het menselijke reukvermogen blijft het ook in de toekomst lastig maken om compleet nieuwe geurmoleculen rationeel te ontwerpen, denkt Sell. Ook via combinatorial chemistry grote hoeveelheden nieuwe geuren maken heeft weinig zin omdat er lastig snelle screeningsmethodes te ontwikkelen zijn, ook al is het moleculair biologen recent gelukt echte humane geurreceptoren in werkende losse cellen te zetten. “ Wat heb je er aan als je de interactie van een geurend molecuul met één geurreceptor kunt bepalen”, vraagt Sell zich af. “Er zijn immers duizend receptoren. En als je wel de interacties met al die receptoren kent, blijft het nog de vraag wat de hersenen met het gemeten signaalpatroon doen.”
“En als rationeel ontwerp ooit mogelijk wordt, dan doe je dat nog maar voor één individu. Vorig jaar ontdekten Israëliërs namelijk dat elk mens slechts 350 tot 450 van de duizend humane geurreceptoren gebruikt en welke dat zijn verschilt van persoon tot persoon. We leven dus allemaal in onze eigen geurwereld”, aldus Sell.
Ratelende computers, syntheserobots en cell assays zullen de synthetiserende organisch chemici en ruikende proefpersonen komende decennia dan ook niet kunnen vervangen, voorspelt Sell. In de zoektocht naar nieuwe geuren blijft het slim variëren op bestaande thema’s in zijn ogen de best begaanbare weg. “Ervaren organisch chemici kunnen dat nog steeds beter dan computermodellen die de structuur-activiteitrelatie (SAR) proberen te voorspellen. Voor mijzelf als organisch chemicus is dat eigenlijk wel goed nieuws.” Creatieve chemici blijven in de geurwereld dus aan het roer als het aan Sell ligt.
Andere toekomst
Tareilus van Unilever ziet een heel andere toekomst voor zich. Daarin is wel degelijk plaats voor moleculair biologen, bio-informatici, ratelende computers, syntheserobots en cell assays. Hij is wel positief over de mogelijkheden van technologieën die bij de farmaceutische industrie hoog in het vaandel staan. “Het is nu nog lastig om geurreceptoren in losse cellen tot expressie te brengen. Dat is nog maar voor enkele receptoren gelukt. Maar als dat probleem eenmaal is opgelost, zie ik zeker kansen.”
“Ik denk dat je over een paar jaar best meetsystemen kunt maken met duizend receptoren en dan kunt bepalen met welke receptoren een geurstof een interactie aangaat en of die interactie zwak of sterk is. Dan maak je als het ware een vingerafdruk van een geur.” Ook bij de interpretatie van deze geuren voorziet Tareilus geen onoverkoombare problemen. “Het is interessant om de ‘vingerafdruk’ van nieuwe stoffen te vergelijken met vingerafdrukken van een hele serie stoffen met bekende geuren waarvan je een database hebt aangelegd.”
Het grote voordeel van het werken met deze vingerafdrukken is dat ze je meer informatie geven over de geurimpressie dan de moleculaire structuur. Waar kleine verschillen in structuur grote verschillen in geurperceptie kunnen geven, verwacht Tareilus dat kleine verschillen in de vingerafdruk van een geur slechts een klein verschil in geurkwaliteit zal opleveren. Op deze manier kan de geurstoffenindustrie dus veel beter op zoek gaan naar een nieuwe stof met de geur van verse sinasappelsap, meent de onderzoeker van Unilever. “De geurindustrie wil voor een aantal bestaande geuren een ander soort stof vinden, omdat de huidige geurstof erg instabiel is. Wanneer ze de vingerafdruk van deze stof kennen, kunnen ze daar veel gerichter naar zoeken.”
Kunstmatige neus
Unilever kan in de verre toekomst ook in de fabriek met menselijke geurreceptoren uit de voeten, verwacht Tareilus. “Om de kwaliteit van onze producten te controleren nemen we nu tijdens de productie monsters, waarna we in een analytisch lab onder andere de kwaliteit van de geurstoffen onderzoeken. Het zou mooi zijn als je met geurreceptoren een soort kunstmatige neus kunt maken waarmee je producten direct in de productielijn met geurreceptoren op de goede geur kunt controleren.” Dit is nog wel echt toekomstmuziek.
“Het Nobelprijswinnende onderzoek helpt ons echter nu al bij het ontwikkelen van een kunstmatige neus met bestaande sensoren. Nu we begrijpen welke verwerkingsprincipes onze hersenen bij de geurperceptie gebruiken, kunnen we dat principe ook voor de data-analyse van signalen van een kunstmatige neus met chemische sensoren gebruiken.” Zulke systemen bevinden zich momenteel in de testfase. “Maar vooral de robuustheid van de sensoren is nog steeds een probleem.”
De menselijke neus is op dit moment dus op geen enkel terrein te verslaan. Of technologische snufjes in de toekomst aan de menselijke neus kunnen tippen is bovendien nog de vraag. Er zal in ieder geval nooit een nieuwe geur of een product met een nieuwe geur op de markt komen zonder de inzet van een testpanel met proefpersonen. Daar zijn Sell en Tareilus het over eens. Tareilus: “We zullen de ultieme beproeving of iets een lekkere geur heeft ook in de toekomst altijd aan een panel met ruikende proefpersonen overlaten. Geurimpressie heeft immers ook te maken met de emoties en verwachtingen die deze oproept.”
Nog geen opmerkingen