Teorie čichu vibrací navrhuje, že čichový charakter molekuly je dán její vibrační frekvencí v infračerveném rozsahu. Teorie je v protikladu k široce přijímané teorii tvaru čichu, která navrhuje, že čichový charakter molekuly je dán jejím tvarem.
Současná teorie vibrací byla nedávno nazvána modelem „swipe card“, na rozdíl od modelů „lock and key“ založených na teorii tvarů. Jak navrhl Luca Turin, molekula odorantu musí nejprve zapadnout do vazebného místa receptoru. Pak musí mít vibrační energetický režim kompatibilní s rozdílem energií mezi dvěma energetickými úrovněmi na receptoru, takže elektrony mohou molekulou putovat přes neelastické elektronové tunelování, čímž se spustí cesta transdukce signálu.
Pachový znak je zakódován v poměru činností receptorů naladěných na různé frekvence vibrací, stejně jako je barva zakódována v poměru činností receptorů kuželových buněk naladěných na různé frekvence světla. Ačkoli teorie vibrací vysvětluje pachový znak, nevysvětluje intenzitu: proč jsou některé pachy silnější než jiné při stejné koncentraci.
Některé studie podporují teorii vibrací, zatímco jiné její závěry zpochybňují.
Významní zastánci a historie
Teorie byla poprvé navržena Malcolmem Dysonem v roce 1937 a rozšířena Robertem H. Wrightem v roce 1954, poté byla z velké části opuštěna ve prospěch konkurenční teorie tvarů. Práce Lucy Turina z roku 1996 oživila teorii navržením mechanismu, spekulujíc, že receptory spřažené s G-proteinem, objevené Lindou Buckovou a Richardem Axelem, ve skutečnosti měří molekulární vibrace pomocí nepružného elektronového tunelování, místo aby reagovaly na molekulární klíče, které pracují pouze podle tvaru. V roce 2006 studie Physical Review Letters od Marshalla Stonehama a kolegů z University College London a Imperial College London ukázala, že Turínem navržený mechanismus je v souladu se známou fyzikou a zavedla výraz „swipe card model“ pro jeho popis. Práce PNAS v roce 2011 od Turína, Efthimiose Skoulakise a kolegů z MIT a výzkumného centra biomedicínských věd Alexandra Fleminga hlásila experimenty s chováním mušek v souladu s vibrační teorií čichu. Teorie zůstává kontroverzní.
Významnou předpovědí turínské teorie je izotopový efekt: že normální a deuterovaná verze sloučeniny by měla vonět jinak, i když mají stejný tvar. Studie Haffendena a spol. z roku 2001 ukázala, že lidé jsou schopni odlišit benzaldehyd od jeho deuterované verze. Testy na zvířatech navíc ukázaly, že ryby a hmyz jsou schopni odlišit izotopy čichem.
Studie publikovaná v roce 2011 Francem, Turínem, Meršinem a Skoulakisem ukazuje jak to, že mouchy mohou cítit deuterium, tak to, že pro mouchy je vazba uhlík-deuterium cítit jako nitril, který má podobné vibrace. Studie uvádí, že drosophila melanogaster (ovocná moucha), která je obvykle přitahována k acetofenonu, spontánně nemá ráda deuterovaný acetofenon. Tato nechuť se zvyšuje s počtem deuterií. (Mouchy geneticky upravené tak, že nemají čichové receptory, nemohly poznat rozdíl.) Mouchy mohly být také trénovány elektrickými šoky buď tak, aby se vyhnuly deuterované molekule, nebo aby ji upřednostnily před normální. Když pak byla těmto trénovaným mouchám nabídnuta zcela nová a nesouvisející volba normálních vs. deuterovaných odorantů, vyhnuly se nebo upřednostnily deuterium jako u předchozí dvojice. To naznačovalo, že mouchy byly schopny cítit deuterium bez ohledu na zbytek molekuly. Pro zjištění, zda byl tento deuteriový pach skutečně způsoben vibracemi vazby uhlík-deuterium (C-D) nebo nějakým nepředvídaným účinkem izotopů, se výzkumníci zaměřili na nitrily, které mají podobné vibrace jako vazba C-D. Mouchy trénované na to, aby se vyhnuly deuteriu a požádány, aby si vybraly mezi nitrilem a jeho protějškem bez nitrilu, se nitrilu vyhnuly, což podpořilo myšlenku, že mouchy cítí vibrace. Další studie pachů izotopů probíhají u ovocných much a psů.
Vysvětlení rozdílů ve stereoizomerových vůních
Carvone představoval pro teorii vibrací matoucí situaci. Carvone má dva izomery, které mají identické vibrace, a přitom jeden voní jako máta a druhý jako kmín (podle kterého je sloučenina pojmenována).
Turínský experiment natočený dokumentárním filmem BBC Horizon z roku 1995 „Kód v nose“ spočíval ve smíchání izomeru máty s butanonem, podle teorie, že tvar receptoru spřaženého s G proteinem zabránil tomu, aby karbonylová skupina v izomeru máty byla detekována „biologickým spektroskopem“. Experiment uspěl s vycvičenými parfuméry používanými jako subjekty, kteří vnímali, že směs 60% butanonu a 40% karvonu máty voní po kmínu.
Sirnatý zápach boranů
Podle původní turínské práce v časopise Chemical Senses je dobře zdokumentovaný zápach sloučenin boranu silně sírový, ačkoliv tyto molekuly neobsahují žádnou síru. Navrhuje to vysvětlit podobností frekvence mezi vibracemi vazby B-H a vazby S-H.
Biofyzikální simulace publikované ve Physical Review Letters v roce 2006 naznačují, že Turínův návrh je z fyzikálního hlediska životaschopný.
Korelující zápach s vibracemi
Studie z roku 2004 publikovaná v časopise Organic Biomolecular Chemistry Takanem a Mitchellem ukazuje, že popisy pachů v olfrační literatuře korelují s deskriptory EVA, které volně odpovídají vibračnímu spektru, lépe než s deskriptory založenými na dvourozměrné konektivitě molekuly. Studie nebrala v úvahu molekulární tvar.
Turín poukazuje na to, že tradiční interakce receptorů typu lock-and-key se týkají agonistů, kteří prodlužují čas receptoru strávený v aktivním stavu, a antagonistů, kteří prodlužují čas strávený v neaktivním stavu. Jinými slovy, některé ligandy mají tendenci receptor zapínat a některé ho naopak vypínat. Jako argument proti tradiční teorii čichu typu lock-and-key lze uvést, že až donedávna nebyli nalezeni žádní čichoví antagonisté.
V roce 2004 japonská výzkumná skupina zveřejnila, že oxidační produkt isoeugenolu je schopen antagonizovat nebo zabránit reakci myších ofactory receptorů na isoeugenol.
Další výzvy pro utváření teorie
Výzvy pro teorii vibrací
Tři předpovědi Lucy Turína o povaze čichu, využívající koncepty teorie vibrací, byly řešeny experimentálními testy publikovanými v Nature Neuroscience v roce 2004 Vosshallem a Kellerem. Studie nepodpořila předpověď, že by izotopy měly vonět jinak, s netrénovanými lidskými subjekty neschopnými odlišit acetofenon od jeho deuterovaného protějšku. (Jiná studie však zjistila, že subjekty by mohly odlišit deuterované benzaldehydy od běžných benzaldehydů. Viz Isotopové efekty výše.) Kromě toho Turínův popis pachu aldehydů s dlouhým řetězcem jako střídavě (1) dominantně voskový a slabě citrusový a (2) dominantně citrusový a slabě voskový nebyl podpořen testy na netrénovaných subjektech, navzdory neoficiální podpoře od profesionálů z voňavého průmyslu, kteří s těmito materiály pravidelně pracují. Vosshall a Keller také představili směs guaiakolu a benzaldehydu subjektům, aby otestovali Turínovu teorii, že směs by měla vonět vanilinem. Vosshallova a Kellerova data turínskou předpověď nepodpořila. Vosshall však tvrdí, že tyto testy teorii vibrací nevyvrací.
V reakci na studii PNAS o mouchách z roku 2011 Vosshall uznal, že mouchy mohou cítit izotopy, ale závěr, že pach je založen na vibracích, označil za „přehnanou interpretaci“ a vyjádřil skepsi ohledně používání much k testování mechanismu původně připisovaného lidským receptorům. Aby byla teorie potvrzena, Vosshall uvedl, že musí existovat další studie o savčích receptorech. Bill Hansson, specialista na čich hmyzu, vznesl otázku, zda by deuterium mohlo ovlivnit vodíkové vazby mezi čichem a receptorem.