Craig Montell在他的辦公室，顯示器上是他實驗室的一些模型生物(圖片來源: Matt Perko)
進化是修補匠，不是工程師。“進化不會從零開始產生新奇的東西。”1977年諾貝爾獎得主François Jacob寫道，生物學家們繼續認為這是正確的。
由加州大學聖巴巴拉分校的研究人員領導的一組科學家發現，多種視蛋白蛋白（幾十年來被認為是視覺所必需的），也有味覺受體的功能。這一發現發表在《當代生物學》雜誌上，它研究了一種不依賴光的視蛋白，並對這些蛋白質在古代生物體內的作用提出了疑問。
“這是視蛋白在味覺或任何形式的化學感覺中所起作用的第一個例子，”分子、細胞和發育生物學的傑出教授、合著者 Craig Montell 說。
19世紀晚期，科學家們發現了視紫紅質的感光作用視紫紅質是一種結合在視網膜上的視蛋白，是維生素A的一種形式。從那以後，視紫紅質成為研究最多的感受器。 直到最近，研究人員認為視紫紅質蛋白家族只參與了光接收。然而，在2011年，Montell 和他的同事發現，一種視蛋白使果蠅黑腹果蠅能夠在其舒適範圍內檢測到微小的溫度變化。
動物有多種對外界刺激作出反應的感覺蛋白。有些需要強烈的刺激，如滾燙的熱，才能激活。視紫紅質能夠對非常細微的變化或非常低水平的刺激做出反應——比如在非常昏暗的光線條件下——然後引發分子級聯反應，放大信號，最終激活感官反應。
Montell實驗室的研究人員使用馬兜鈴酸（在一些植物中發現的一種有毒的苦味化合物）來研究果蠅的味覺感受器。高濃度的這種苦味化學物質通過直接打開一種叫做TRPA1的通道蛋白來激活果蠅的味覺神經元，這種通道蛋白可以讓鈣和鈉進入細胞。這就使動物們避免苦味。然而，果蠅甚至可以避免高稀釋度的馬兜鈴酸，這個被稀釋的信號強度不足以打開信號通道。
Montell和主要作者Nicole Leung最近完成了她在加州大學聖巴巴拉分校的博士前研究，他們懷疑視蛋白分子可能也在通過信號放大過程探測微妙的化學信號。
他們讓果蠅在單獨食用糖和加入稀釋馬兜鈴酸的糖之間做出選擇。不出所料，果蠅拒絕了含有苦味化學物質的糖而吃了純糖。
然後，科學家們培育不能合成視蛋白的突變體果蠅。他們發現，在三種視蛋白中任何一種有缺陷的果蠅都無法檢測到這種小濃度的酸，而且它們攝入的含這種苦味化合物的糖幾乎與純糖一樣多。然而，突變的動物仍然對大量的苦味化合物敏感，他們繼續避免這種化合物。根據Montell的說法，大量的苦味化學物質直接激活了TRPA1通道，而TRPA1通道在沒有視蛋白的果蠅體內仍然存在。
研究小組發現，馬兜鈴酸通過與視蛋白結合的方式激活了視蛋白，而視蛋白與視蛋白結合的方式與視蛋白結合的方式相同。就像在非常微弱的光線下激活視蛋白一樣，化學激活的視蛋白隨後啟動分子級聯，放大小信號。這使得果蠅能夠檢測到這種化合物的濃度，否則它們的感覺神經元將不足以產生反應。
研究小組發現，馬兜鈴酸通過與視網膜中視紫紅質相同的位點結合而激活這些視蛋白。 就像視紫紅質在微弱光線下被激活一樣，化學激活的視蛋白隨後啟動了一個分子級聯，放大了微小的信號。 這使果蠅能夠檢測到這種化合物的濃度，否則這種化合物不足以觸發它們感覺神經元的反應。
“視紫紅質早在19世紀70年代就被發現了，” Montell說，“所以在150年後發現視蛋白在味覺上有作用是非常令人興奮的。”
Montell推測，化學感受可能是視蛋白最初的作用。他說，化學物質的接收比光的接收更能滿足生命的基本需求。知道該吃什麼和避免哪些危險的化學物質，比探測光線的能力有更古老的生存功能。他大膽地說，視網膜與視蛋白結合並賦予視蛋白光感也許是偶然的。
繼2011年Montell發現視蛋白在溫度感覺中起作用之後，另一個研究小組發現視蛋白在果蠅的聽覺中起作用。 現在，隨著視蛋白也是味覺受體的論證，Montell 懷疑它們可能還參與了其他的感官。
“在每種情況下，它們都提供了一種機制，通過啟動放大級聯反應來感應低水平的刺激 ，”他說。
這一新發現可能不僅僅侷限於科學家們研究的果蠅。Montell說:“結果可能是視蛋白在哺乳動物中代表了一種新的味覺受體，包括人類。”蒙特爾的研究小組目前正在研究這一假設。
Nicole Y. Leung et al, Functions of Opsins in Drosophila Taste, Current Biology(2020).
https://www.cell.com/current-biology/fulltext/S0960-9822(20)30112-3
https://phys.org/news/2020-04-scientists-class-receptors.html
作者：Harrison Tasoff, University of California - Santa Barbara
譯文校稿：LuLu
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關鍵字: 2019未來科學大獎 動物 化學
