Tat alma reseptörleri üzerine yapılan yeni bir araştırma, bazı canlıların amino asitlerin insanlarda birbirinden ayırt edilemeyen iki farklı formunu algılayabildiğini ortaya koydu. Balon balığındaki umami tat reseptörünün yapısını inceleyen araştırmacılar, bu esnekliğin moleküler mekanizmasını da ortaya çıkardı.
Lezzetli tadın temelinde amino asitler bulunuyor. Ancak amino asitlerin büyük bölümü, aynı atomlardan oluşan ve birbirinin ayna görüntüsü olan iki farklı formda bulunabiliyor. Kimyada bu formlar L ve D olarak adlandırılıyor.
İnsanlardaki umami tat reseptörü bu iki formdan yalnızca birini algılarken, Japon balon balığında (Takifugu rubripes) her iki formu da algılayabilen bir reseptör bulunuyor.
Osaka Üniversitesi Protein Araştırma Enstitüsü'nden Atsuko Yamashita liderliğindeki ekip, Okayama Üniversitesi ve RIKEN SPring-8 Merkezi'ndeki araştırmacılarla birlikte balon balığının bu sıra dışı tat alma mekanizmasını inceledi.
Araştırmacılar, hücre zarında bulunan reseptörün tamamı yerine, besin moleküllerini yakalayan bölümünün yapısını ortaya çıkardı. Elde edilen sonuçlar, reseptörün yalnızca hangi molekülün kendisine bağlandığıyla değil, bağlandıktan sonra yapısını ne kadar süre koruduğuyla da ilgilendiğini gösterdi.
Amino asitlerin L ve D olarak adlandırılan iki formu, birbirlerinin ayna görüntüsü niteliğinde. Canlıların proteinleri ise neredeyse tamamen L-amino asitlerden oluşuyor.
Bu ayrım tat alma duyusunda da önemli bir rol oynuyor. TAS1R adı verilen tat reseptörü ailesinin bir bölümü, özellikle glutamat ve aspartat gibi L-amino asitlere tepki veren umami reseptörünü oluşturuyor.
İnsanlarda ve farelerde bu reseptör sistemi amino asitlerin L ve D formlarını büyük ölçüde birbirinden ayırıyor. Ancak balon balığındaki reseptörün daha esnek olduğu ve bazı D-amino asitleri de algılayabildiği görüldü.
Bu durum, balığın besin kaynaklarında bulunan farklı amino asitleri daha geniş bir yelpazede tespit etmesine yardımcı olabilir.
Tat reseptörlerinin yapısını ayrıntılı biçimde incelemek kolay değil. Bu proteinlerin önemli bir bölümü, hayvan hücrelerinin dışında üretildiğinde düzgün biçimde katlanmıyor.
Araştırma ekibi ise balon balığının reseptörünün iki bölümünü böcek hücrelerinde 20 derecede yedi gün boyunca yetiştirmeyi başardı. Ardından reseptörün besin moleküllerini yakalayan bölümünü kristalleştiren araştırmacılar, yapısını X ışını kristalografisiyle inceledi.
Ortaya çıkan yapı, Venüs sinek kapanını andırıyordu. Reseptörün iki lobu arasında bir yarık bulunuyor ve amino asit bu boşluğa bağlandığında iki lob birbirine doğru kapanıyor.
Bu kapanma, reseptörün sinyal oluşturmasının temel aşamalarından biri olarak değerlendiriliyor. Molekül reseptöre uygun şekilde bağlanmadığında ise yapının kapanması ve tat sinyalinin iletilmesi zorlaşıyor.
Araştırmacılar daha sonra reseptörü farklı amino asitlerle test etti. Deneylerde hem moleküllerin reseptöre bağlanıp bağlanmadığı hem de canlı hücrelerde reseptörü ne ölçüde aktive ettiği incelendi.
L-amino asitler beklendiği gibi reseptöre bağlandı. Ancak bazı D-amino asitlerin de benzer şekilde etkileşim kurabildiği görüldü.
Özellikle D-alanin ve D-fenilalanin reseptöre bağlandı ve reseptörde ölçülebilir bir aktivasyon oluşturdu. Aynı deneyler insanlardaki umami reseptörüyle tekrarlandığında ise bu reseptörün D-amino asitlere karşı aynı esnekliği göstermediği görüldü.
Bununla birlikte reseptörün amino asitleri tutma gücü her iki formda aynı değildi. Balık reseptörü, L-alanini D-alaninden yaklaşık 11 kat daha güçlü tuttu. Buna karşın D-fenilalanin, reseptöre daha zayıf bağlanmasına rağmen L-fenilalaninden daha güçlü bir yanıt oluşturdu.
İnsan umami reseptörünün özellikle güçlü tepki verdiği L-glutamat ve L-aspartat ise balık reseptörüne bağlanmasına rağmen belirgin bir tat sinyali oluşturmadı.
Araştırmacılar, reseptörün iki lobu arasındaki boşluğu kontrol eden iki çift amino asit yan zincirine odaklandı.
Bu yan zincirler, bağlanan amino asitle doğrudan temas etmiyor. Bunun yerine reseptörün iki lobunu birbirine bağlayan küçük "kilitler" gibi davranıyor.
Ekip, bu yan zincirleri insan umami reseptöründeki karşılıklarıyla değiştirdiğinde balık reseptörünün D-alanine verdiği tepkinin azaldığını gördü. Başka bir tekli değişiklik ise reseptörün seçiciliğini büyük ölçüde ortadan kaldırdı.
Dikkat çekici olan nokta, bu değişikliklerin amino asitlerin reseptöre bağlanma gücünü ciddi biçimde değiştirmemesiydi. Asıl değişen, reseptörün kapalı konumda ne kadar süre kalabildiğiydi.
Başka bir ifadeyle reseptör, yalnızca "Bu molekül bana bağlandı mı?" sorusuna yanıt vermiyor. Aynı zamanda "Bağlandıktan sonra reseptörü sinyal gönderecek şekilde yeterince uzun süre kapalı tutabiliyor mu?" sorusuna da yanıt veriyor.
Araştırmanın başyazarı Atsuko Yamashita, reseptörün bu mekanizmasını bir kilide benzeterek, yapının L veya D formundaki amino asitleri yerinde tutarak farklı moleküllere karşı daha esnek hale gelebildiğini belirtti.
Araştırmacılara göre balon balığının beslenme biçimi, bu sıra dışı moleküler özelliğin evrimleşmesinde rol oynamış olabilir.
Balon balıkları yumuşakçalar ve kabuklularla besleniyor. Bu canlıların dokularında ise diğer hayvanlara kıyasla yüksek miktarda D-amino asit bulunabiliyor.
Örneğin D-alanin, bazı kabuklularda ve büyük bir midye grubunda bulunan serbest alaninin yüzde 30 ila 84'ünü oluşturabiliyor. Bu moleküllerin hayvanların vücutlarındaki tuz dengesinin korunmasına yardımcı olduğu biliniyor.
Yamashita'ya göre balon balığının çok miktarda D-amino asit içeren yumuşakçalar ve kabuklularla beslenmesi, reseptörün her iki amino asit formunu algılayabilecek şekilde evrimleşmesini açıklayabilir.
Bu özellik, balığın besinlerinde bulunan farklı lezzetli amino asitleri daha geniş bir aralıkta tespit etmesine olanak sağlayabilir.
Araştırmacılar reseptörün besin moleküllerini yakalayan bölümünün yapısını ortaya çıkarmış olsa da mekanizmanın tamamı henüz açıklanmış değil.
Örneğin L-fenilalanin ile oluşturulması planlanan kristaller başarısız olduğu için bu yapının nasıl göründüğü doğrudan görüntülenemedi ve bilgisayar modellemesine başvuruldu.
Ayrıca bazı amino asitlerin reseptöre bağlanmasına rağmen neden güçlü bir sinyal oluşturmadığı da henüz tam olarak bilinmiyor.
İnsanlardaki tat reseptörlerinin aynı mekanizmayı kullanıp kullanmadığı da araştırılması gereken konular arasında. Özellikle D-amino asit içeren bir insan tat reseptörünün yapısı henüz ortaya konmuş değil.
Bununla birlikte çalışma, tat reseptörlerinin yeni molekülleri algılama kapasitesinin nasıl değişebileceğine dair önemli bir ipucu sunuyor. Araştırmacılara göre reseptörün yiyeceği doğrudan yakalayan bölümünü baştan tasarlamak yerine, reseptörün başka bir noktasındaki küçük yapısal değişiklikler bile algılanabilen moleküllerin kapsamını genişletebilir.
Bu mekanizma, gelecekte tat reseptörlerinin tasarlanması, yeni lezzet profillerinin geliştirilmesi ve balık çiftlikleri ile hayvancılıkta kullanılan yemlerin hazırlanması gibi alanlarda araştırılabilecek yeni bir yaklaşım sunabilir.