ترسیم نقشه‌ گیرنده‌های قند، راهی برای کنترل میل به شیرینی

دانشمندان برای اولین بار، ساختار سه‌بعدی گیرنده‌ چشایی شیرینی انسان را ترسیم کرده‌اند که چشم‌انداز مهمی درباره نحوه درک مزه شیرینی و دلیل هوس ما به قند ارائه می‌دهد، این کشف می‌تواند به روش‌های جدیدی برای درمان چاقی، دیابت و اختلالات متابولیک منجر شود.

کد خبر: ۸۰۱۷۲۱

تاریخ: ۲۰ ارديبهشت ۱۴۰۴ - ۱۳:۱۵

به گزارش گروه علمی ایران اکونومیست از نوروساینس نیوز، این نقشه دقیق که با استفاده از میکروسکوپ کریو-الکترونی ایجاد شده، نشان می‌دهد چگونه شیرین‌کننده‌ها به بخش کلیدی گیرنده به نام TAS۱R۲ متصل می‌شوند. این گیرنده ساختاری شبیه به گیاه مگس‌خوار ونوس دارد.

این کشف می‌تواند راه را برای توسعه مولکول‌های جدیدی هموار کند که هوس مصرف قند را بهتر تنظیم کند و یا کاهش دهند و در نتیجه، به مبارزه با چاقی و دیابت کمک کنند. برخلاف شیرین‌کننده‌های مصنوعی فعلی که به‌صورت تصادفی کشف شده‌اند و اغلب در کاهش تمایل به قند ناموفق هستند، این پیشرفت ساختاری، مسیری منطقی برای طراحی جایگزین‌های بهتر ارائه می‌دهد.

دستاوردهای مهم این طرح تحقیقاتی :

- پیشرفت ساختاری: اولین نقشه با وضوح بالا (۲.۸ آنگستروم) از گیرنده چشایی شیرینی انسان.

- محل اتصال شیرینی: نحوه اتصال مولکول‌هایی مانند سوکرالوز و آسپارتام برای ایجاد طعم شیرین شناسایی شد.

- کاربردهای احتمالی: نتایج این پژوهش ممکن است به تولید جایگزین‌های بهتر برای قند و بینش‌های جدید درباره سلامت متابولیک منجر شود.

وضعیت مصرف قند

بر اساس اعلام مؤسسه زاکرمن (دانشگاه کلمبیا)، اکنون میل انسان به قند به سطح ناسالمی رسیده است، برای مثال، یک فرد معمولی در ایالات متحده امروزه به‌طور متوسط سالانه بیش از ۴۵ کیلوگرم، قند مصرف می‌کند، در حالی که این مقدار در سال ۱۸۰۰ تنها ۸ کیلوگرم بوده است. با انتشار این تحقیق جدید در تاریخ ۷ مه ۲۰۲۵ (۱۷ اردیبهشت ۱۴۰۴) در مجله «سل» Cell، دانشمندان دانشگاه کلمبیا گام بزرگی در جهت مقابله با این بحران سلامت عمومی برداشته‌اند.

برای اولین بار، دانشمندان ساختار سه‌بعدی گیرنده چشایی شیرینی انسان را - این ماشین مولکولی که به ما امکان درک طعم شیرینی را می‌دهد - ترسیم کرده‌اند. این دستاورد می‌تواند به کشف تنظیم‌کننده‌های جدیدی برای این گیرنده منجر شود که به شکل قابل توجهی جذابیت و هوس ما به مصرف قند را تغییر دهد.

دکتر جوئن ژانگ (Juen Zhang)، نویسنده همکار اول این پژوهش، می‌گوید: شیرین‌کننده‌های مصنوعی که امروزه به عنوان جایگزین قند استفاده می‌کنیم، واقعاً تمایل ما به قند را به شکل معناداری تغییر نمی‌دهند. حالا که می‌دانیم این گیرنده چگونه به نظر می‌رسد، شاید بتوانیم چیزی بهتر طراحی کنیم.

گیرنده‌های شیرینی روی زبان ما می‌توانند طیف وسیعی از مواد شیمیایی مختلف با طعم شیرین را تشخیص دهند؛ از قند معمولی سفره (ساکارز) گرفته تا آنزیم‌های ضد میکروبی موجود در تخم مرغ.

برخلاف سایر گیرنده‌های چشایی - مانند گیرنده‌های مزه‌های تلخ، ترش یا سایر طعم‌ها - گیرنده‌های شیرینی ما به گونه‌ای تکامل یافته‌اند که حساسیت زیادی ندارند و این ویژگی به ما کمک می‌کند تا روی غذاهای سرشار از قند به عنوان منبع انرژی تمرکز کنیم و همین مساله، نیاز به مصرف مقادیر زیاد شیرینی‌جات برای ارضای میل به شیرینی را ایجاد می‌کند. تعیین ساختار گیرنده شیرینی انسان کلید درک نحوه تشخیص طعم شیرین توسط این گیرنده است و درک بنیادینی از ادراک چشایی به ما می‌دهد.

گیرنده‌های شیرینی زبان؛ از تشخیص تا تکامل

گیرنده‌های چشایی شیرینی روی زبان ما توانایی تشخیص طیف گسترده‌ای از مواد شیمیایی شیرین را دارند - از قند معمولی سفره (ساکاروز) گرفته تا آنزیم‌های ضد میکروبی موجود در تخم مرغ. این گیرنده‌ها به شکل شگفت‌انگیزی انعطاف‌پذیر و چندکاره هستند.

ویژگی‌های منحصر به فرد گیرنده‌های شیرینی:

- برخلاف گیرنده‌های چشایی دیگر (برای طعم‌های تلخ، ترش یا سایر مزه‌ها)، گیرنده‌های شیرینی ما از حساسیت کمتری برخوردارند.

- این ویژگی تکاملی به ما کمک می‌کند تا روی غذاهای پر انرژی متمرکز شویم.

- همین مکانیسم موجب می‌شود برای ارضای حس شیرینی‌خواهی به مقدار بیشتری شیرینی نیاز داشته باشیم.

- برخلاف گیرنده‌های چشایی دیگر (برای طعم‌های تلخ، ترش یا سایر مزه‌ها)، گیرنده‌های شیرینی ما از حساسیت کمتری برخوردارند - این ویژگی تکاملی به ما کمک می‌کند تا روی غذاهای پر انرژی متمرکز شویم - همین مکانیسم موجب می‌شود برای ارضای حس شیرینی‌خواهی به مقدار بیشتری شیرینی نیاز داشته باشیم.

اهمیت کشف ساختار گیرنده:

شناسایی ساختار سه‌بعدی گیرنده شیرینی انسان کلید درک، موارد زیر است:

۱. مکانیسم دقیق تشخیص طعم شیرین

۲. پیشرفت بنیادین در دانش ادراک چشایی

۳. امکان طراحی شیرین‌کننده‌های هدفمند و سالم‌تر

۴. درک تفاوت‌های فردی در حس چشایی

این یافته‌ها نه تنها درک ما از سیستم چشایی را متحول می‌کند، بلکه راه را برای توسعه راهکارهای جدید در مبارزه با چاقی و دیابت هموار می‌سازد. گیرنده‌های شیرینی، این ماشین‌های مولکولی پیچیده، اسرار بسیاری از رفتارهای غذایی ما را در خود نهفته دارند.

بیش از ۲۰ سال پیش، دکتر زوکر و همکارانش ژن‌های مسئول گیرنده چشایی شیرینی در پستانداران را کشف کردند. این کار پیشگامانه، فرمول شیمیایی آن را آشکار کرد، اما تاکنون کسی از شکل دقیق آن اطلاعی نداشت - دقیقاً مانند اینکه دانستن دستور پخت یک کیک به شما نمی‌گوید که محصول نهایی چگونه به نظر خواهد رسید.

زوکر که این پژوهش جدید نیز در آزمایشگاه او انجام شده است، توضیح می‌دهد: «بدون این دانش، درک اساس مولکولی تشخیص طعم شیرینی و طراحی منطقی روش‌هایی برای تنظیم عملکرد این گیرنده ضروری، همواره چالشی بزرگ بوده است.»

برایان وانگ؛ نویسنده همکار این مطالعه و دستیار پژوهشی در آزمایشگاه زوکر نیز می‌گوید: «تمام شیرین‌کننده‌های مصنوعی که امروزه استفاده می‌کنیم، یا به صورت تصادفی کشف شده‌اند یا بر اساس مولکول‌های شناخته‌شده با طعم شیرین توسعه یافته‌اند. در نتیجه، بیشتر شیرین‌کننده‌های مصنوعی دارای معایبی هستند.»

این پژوهش جدید، ساختار گیرنده چشایی شیرینی انسان را با جزئیاتی بی‌سابقه و با وضوحی در حد ۲.۸ آنگستروم ترسیم کرده است. برای مقایسه، کوچکترین اتم یعنی هیدروژن، کمی بیش از ۱ آنگستروم عرض دارد.

محققان برای ترسیم ساختار گیرنده چشایی شیرینی انسان به رویکردهای نوآورانه و حدود سه سال زمان نیاز داشتند که بخش عمده آن به دلیل دشواری رشد این پروتئین در محیط کشت آزمایشگاهی بود، در این فرآیند، فقط برای تهیه پروتئین خالص مورد نیاز برای ترسیم ساختار، بیش از ۱۵۰ مرحله آماده‌سازی مختلف در طول سه سال انجام گرفت و محققان سپس از میکروسکوپ کریو-الکترونی (cryo-EM) برای تحلیل گیرنده چشایی شیرینی انسان استفاده کردند.

این تکنیک با تاباندن پرتوهای الکترونی به مولکول‌های منجمد شده در محلول، به پژوهشگران کمک می‌کند تا تصاویر لحظه‌ای از این مولکول‌ها را از زوایای مختلف به ثبت برسانند و سپس بتوانند ساختار سه‌بعدی آنها را در سطح اتمی بازسازی کنند.

نکته بسیار مهم این که میکروسکوپ کریو-الکترونی "حفره اتصال" گیرنده را آشکار ساخت، فضایی که مواد شیرین در آن قرار گرفته و مجموعه واکنش‌هایی را فعال می‌کنند که میل شدید ما به شیرینی‌جات را تحریک می‌کند.

به گفته دکتر آنتونی فیتزپاتریک، پژوهشگر ارشد در مؤسسه زاکرمن دانشگاه کلمبیا و یکی از نویسندگان این مطالعه، تعیین دقیق حفره اتصال این گیرنده برای درک عملکرد آن کاملاً حیاتی است. با دانستن شکل دقیق آن، می‌توانیم بفهمیم چرا شیرین‌کننده‌ها به آن متصل می‌شوند و چگونه می‌توان مولکول‌های بهتری برای فعال‌سازی یا تنظیم عملکرد این گیرنده طراحی یا کشف کرد.

این یافته‌ها راه را برای توسعه نسل جدیدی از شیرین‌کننده‌ها هموار می‌کند. گیرنده چشایی شیرینی انسان از دو بخش اصلی تشکیل شده است: یکی از این بخش‌ها به نام TAS۱R۲ دارای حفره اتصالی است که ساختاری شبیه به گیاه مگس‌خوار ونوس دارد. شناخت ساختار این بخش همچنین می‌تواند به درک تفاوت‌های حساسیت افراد به طعم شیرین کمک کند.

در این پژوهش، دانشمندان ساختار گیرنده را هنگام اتصال به دو مورد از رایج‌ترین شیرین‌کننده‌های مصنوعی، یعنی آسپارتام و سوکرالوز ترسیم کردند. این شیرین‌کننده‌ها به ترتیب ۲۰۰ و ۶۰۰ برابر از ساکارز (قند معمولی) شیرین‌تر هستند.

کشفیات جدید در مورد مکانیسم اتصال شیرین‌کننده‌ها

محققان با تغییرات سیستماتیک بخش‌های ریز گیرنده، نقش هر جزء در فرآیند اتصال به شیرین‌کننده‌ها را بررسی کردند. رویخوان یو، دانشجوی دکتری در آزمایشگاه زوکر و از نویسندگان این مطالعه، توضیح می‌دهد: "این تغییرات هدفمند به ما کمک کرد تا عملکرد هر بخش از گیرنده را دقیقاً درک کنیم."

اندرو چانگ، تکنسین تحقیقاتی در آزمایشگاه فیتزپاتریک و دیگر نویسنده این مطالعه، می‌افزاید: "هدف نهایی ما پیشبرد دانش علمی برای کمک به مردم است. این تحقیقات پایه‌ای می‌تواند راه‌حل‌های عملی برای مشکلات سلامت عمومی ایجاد کند."

کاربردهای گسترده فراتر از حس چشایی

اگرچه گیرنده‌های شیرینی عمدتاً در جوانه‌های چشایی زبان قرار دارند، دکتر ژانگ خاطرنشان می‌کند که این گیرنده‌ها در سراسر بدن پراکنده هستند و ممکن است در عملکرد اندام‌هایی مانند پانکراس نقش داشته باشند.

پیامدهای مهم برای تحقیقات آینده:

۱. نقشه جدید ساختار گیرنده می‌تواند تحقیقات متابولیسم را متحول کند

۲. بینش‌های جدیدی درباره اختلالاتی مانند دیابت ارائه می‌دهد

۳. امکان طراحی داروهای هدفمند برای تنظیم متابولیسم قند را فراهم می‌کند

۴. درک بهتری از ارتباط بین حس چشایی و سلامت عمومی ایجاد می‌کند

این یافته‌ها نشان می‌دهد که گیرنده‌های شیرینی ممکن است عملکردی فراتر از درک طعم داشته باشند و در تنظیم متابولیسم بدن نقش ایفا کنند. چنین کشفی می‌تواند به درمان‌های جدیدی برای دیابت و اختلالات متابولیک منجر شود.