Schnüffeln für die Wissenschaft

Die Riechsinneszellen in der Nase identifizieren Geruchsmoleküle über spezifische Rezeptoren (kreisförmige Grafik).

Künstliche Nasen sind im Kommen. An Flughäfen zum Beispiel schnüffeln staubsaugerartige Geräte nach versteckten Sprengstoffen. Anders als Hundenasen ermüden sie nicht mit der Zeit. Dafür sind sie weit weniger empfindlich und sorgen nicht selten für Fehlalarm. Nur sehr aufwändige Geräte mit sogenannten Spektrometern können die Vierbeiner schlagen – dann aber auch nur bei ausgewählten Geruchssubstanzen.

Am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz entsteht eine künstliche Nase, die nicht nach den Prinzipien der Physik funktioniert, sondern nach dem biologischen Vorbild der Natur. Eva-Kathrin Sinner und ihr materialwissenschaftliches Team lassen sich von den Riechsinneszellen echter Nasen inspirieren. Die Biologieprofessorin erforscht, was beim Riechen auf der Skala einzelner Moleküle an den Membranhüllen der Nervenzellen geschieht. Das will sie mit künstlichen Zellmembranen nachahmen. Erste Erfolge kann sie schon vorweisen, wofür sie 2007 einen Forschungspreis erhielt. Ihre Strategie, die Tricks der Evolution technisch nachzuahmen, nennt sich Biomimetik.

Die wichtigsten molekularen Schritte des Riechvorgangs sind zwar inzwischen enträtselt. Dafür bekamen die beiden US-amerikanischen Wissenschaftler Linda Buck und Richard Axel 2004 den Nobelpreis für Medizin. Doch das komplizierte Zusammenspiel der Biomoleküle birgt immer noch viele Unbekannte. Sinneswahrnehmungen seien ohnehin sehr komplex, erklärt Sinner: „Der Geruchssinn ist wie der Sehsinn eigentlich eine Ausstülpung des Gehirns, das mit seiner enormen Rechenleistung eine zentrale Rolle in der Wahrnehmung spielt.“

Die Riechsinneszellen sitzen in der Riechschleimhaut. Bei Menschen sind diese beiden olfaktorischen Regionen mit je rund fünf Quadratzentimetern eher klein, bei Hunden erreichen sie je 25 Quadratzentimeter. Menschen verfügen über etwa zehn Millionen Riechsinneszellen. Das sind spezialisierte Nervenzellen. Ein Büschel Riechhaare (Cilien) ragt aus ihrer freien Oberfläche in die Schleimschicht hinein, die die Nasenschleimhaut vor Austrocknung schützt. Durch diese Ausstülpungen vergrößert sich die Oberfläche der Zellmembran, sodass die Zellen möglichst viele Duftmoleküle einfangen können, die aus der Luft auf die Schleimschicht treffen. Spezielle Duftstoff bindende Moleküle nehmen sie dort auf und transportieren sie dann zu den Riechhaaren.

Vergleich zwischen dem menschlichen Geruchssinn (oben) und einer elektronischen Nase (unten).

Die Riechhaare verfügen über Geruchsrezeptoren, große Proteine, die über mehrere Molekülschlaufen in der Zellmembran verankert sind. Sie besitzen Andockstellen für ausgewählte Duftmoleküle: Wie ein Schlüssel in ein Schloss, so passt sich das Duftmolekül in die entsprechende Molekültasche des Rezeptors. Dabei trägt jede Sinneszelle nur eine Sorte von Rezeptoren, doch hat das chemische Schloss jedes Rezeptors eine gewisse Toleranz. So reagiert die Zelle nicht nur auf ein einziges Duftmolekül, sondern auf vier bis fünf chemisch eng verwandte Substanzen. Nach heutigem Wissen haben wir Menschen gut 350 verschiedene Geruchsrezeptoren in der Nase, mit denen wir mehrere Tausend Gerüche unterscheiden können. Ratten und Hunde besitzen jeweils tausend verschiedene Rezeptoren.

Dockt ein passendes Duftmolekül an, dann verändert es die Form dieser Tasche. Diese Änderung schaltet der Rezeptor wie ein chemischer Federmechanismus ins Innere der Riechnervenzelle durch. Signal vermittelnde Proteine (sogenannte G-Proteine), die an den ins Zellinnere ragenden Molekülschlaufen hängen, lösen dann in der Nervenzelle eine mehrstufige Signalkaskade aus. Dadurch wird das Geruchssignal millionenfach verstärkt. Die Zelle schickt dieses Signal durch eine Verbindungsleitung, das Axon, in den Riechkolben. Der Bulbus olfactorius verarbeitet als Schaltzentrale die Geruchssignale weiter und sendet sie ins Gehirn.