Лука Турин: Биография и теория вибрационного обоняния.

Введение

Лука Турин (родился 20 ноября 1953 года) — биофизик и писатель, давно интересующийся биоэлектроникой, обонянием, парфюмерией и парфюмерной индустрией.

Ранние годы и образование

Турин родился в Бейруте, Ливан, 20 ноября 1953 года в семье итальянского аргентинского происхождения и вырос во Франции, Италии и Швейцарии. Его отец, Дуччо Турин, был дипломатом ООН и главным архитектором палестинских лагерей для беженцев, а его мать, Адела Турин (урожденная Манделли), – искусствовед, дизайнер и лауреат премий в области детской литературы. Турин изучал физиологию и биофизику в Университетском колледже Лондона и получил степень доктора философии в 1978 году. С 1982 по 1992 год он работал в CNRS, а с 1992 по 2000 год преподавал биофизику в Университетском колледже Лондона.

Карьера

После ухода из CNRS, Турин сначала занимал должность приглашенного научного сотрудника в Национальных институтах здоровья в Северной Каролине, а затем вернулся в Лондон, где стал лектором по биофизике в Университетском колледже Лондона. В 2001 году Турин был принят на должность технического директора стартапа Flexitral, расположенного в Шантилли, штат Вирджиния, для реализации рационального дизайна обоняющих веществ на основе его теорий. В апреле 2010 года он упомянул об этой должности в прошедшем времени, и, судя по всему, доменное имя компании было аннулировано. В 2010 году Турин работал в MIT над проектом по разработке электронного носа с использованием природных рецепторов, финансируемым DARPA. В настоящее время он является исследователем Ставроса Ниархоса в отделении нейробиологии Исследовательского центра биомедицинских наук Александра Флеминга в Греции. В 2021 году он перешел в Университет Бакингема, Великобритания, на должность профессора физиологии в медицинском факультете.

Вибрационная теория обоняния

Основным предсказанием теории обоняния вибрацией Турина является изотопный эффект: нормальные и деутерированные версии соединения должны пахнуть по-разному из-за уникальных частот вибрации, несмотря на то, что они имеют одинаковую форму. Исследование 2001 года, проведенное Haffenden и соавторами, показало, что люди способны различать бензальдегид и его деутерированный аналог. Однако экспериментальные тесты, опубликованные в журнале Nature Neuroscience в 2004 году Келлером и Восшалом, не подтвердили это предсказание: испытуемые не смогли отличить ацетофенон от его деутерированного аналога. Сопроводительная к исследованию редакционная статья назвала работу Келлера и Восшалла «опровержением провокационной, но практически не имеющей поддержки в научных кругах теории». В ней также отмечалось, что «единственной причиной проведения этого исследования авторами, а также публикации его в Nature Neuroscience является необычайная и неуместная огласка, которую теория получила благодаря некритичным журналистам». Журнал опубликовал и рецензию на книгу Чендлера Берра «Император ароматов», назвав ее «головокружительной и чрезмерно эмоциональной». Тем не менее, эксперименты с животными показали, что рыбы и насекомые способны различать изотопы по запаху. Биофизическое моделирование, опубликованное в журнале Physical Review Letters в 2007 году, предполагает, что предложение Турина физически обосновано. Теория вибрации получила косвенное подтверждение в статье 2004 года, опубликованной в журнале Organic Biomolecular Chemistry Такане и Митчеллом, которая показала, что описания запахов в литературе по обонянию сильнее коррелируют с частотой вибрации, чем с молекулярной формой. В 2011 году Турин и его коллеги опубликовали статью в PNAS, демонстрирующую, что плодовой мушки дрозофилы способны различать ароматизаторы и их деутерированные аналоги. Эксперименты с дрозофилами отличаются от экспериментов с людьми использованием животных, известных своим хорошим обонянием и свободных от психологических предубеждений, которые могут осложнить исследования с участием человека. Дрозофилы были обучены избегать деутерированного запаха в паре деутерированный/нормальный, что указывает на различие в запахе. Более того, дрозофилы, обученные избегать одного деутерированного запаха, также избегали других деутерированных запахов, не связанных с ним химически, что указывает на то, что сама деутерированная связь имеет отчетливый запах. Авторы выявили вибрационную частоту, которая могла быть ответственна за это, и обнаружили, что она близка к частоте, наблюдаемой в нитрилах. Когда мухи, обученные избегать деутерированных ароматизаторов, подвергались воздействию нитрила и его недеутерированного аналога, они также избегали нитрила, что согласуется с теорией о том, что обоняние мух обнаруживает молекулярные вибрации. Два года спустя, в 2013 году, Турин и его коллеги опубликовали исследование в PLoS ONE, показавшее, что люди легко различают очищенный газовой хроматографией деутерированный мускус в двойных слепых тестах. Команда выбрала мускусы из-за большого количества углерод-водородных связей, доступных для деутерирования. Они воспроизвели более ранние результаты Восшалла и Келлера, показавшие, что люди не могут надежно различать ацетофенон и его деутерированный аналог с 8 водородами, и показали, что люди начинают обнаруживать изотопный запах мускуса только при 14 деутериях, или 50% деутерировании. Поскольку предложенный Турином механизм представляет собой биологический метод неэластичной электронной туннельной спектроскопии, использующий квантовый эффект, его теория механизма обоняния была описана как пример квантовой биологии. В ответ на статью Турина 2013 года, посвященную деутерированным и недеутерированным изотопомерам мускусного циклопентадеканона, было сообщено, что человеческий рецептор распознавания мускуса OR5AN1, идентифицированный с использованием системы гетерологичной экспрессии обонятельных рецепторов и надежно реагирующий на циклопентадеканон и мускон (содержащий 30 водородов), не способен различать изотопомеры этих соединений in vitro. Кроме того, мышиный рецептор распознавания (метилтио)метантиола MOR244 3, а также другие отобранные человеческие и мышиные обонятельные рецепторы, реагировали аналогично на нормальные, деутерированные и углерод-13 изотопомеры своих соответствующих лигандов, что соответствует результатам, полученным с мускусным рецептором OR5AN1. На основании этих данных авторы пришли к выводу, что предлагаемая теория вибрационного обоняния неприменима к человеческому мускусному рецептору OR5AN1, мышиному тиольному рецептору MOR244 3 или другим исследованным обонятельным рецепторам. Кроме того, теоретический анализ, проведенный авторами, показал, что предложенный механизм переноса электронов, основанный на вибрационных частотах ароматизаторов, может быть легко подавлен квантовыми эффектами неароматических молекулярных вибрационных мод. Авторы заключают: «Эти и другие опасения относительно переноса электронов в обонятельных рецепторах, а также наши обширные экспериментальные данные опровергают правдоподобность теории вибрации». Комментируя эту работу, Восшалл пишет: «В PNAS Блок и соавторы переносят дебаты о "форме против вибрации" из психофизики обоняния в биофизику самих OR. Авторы проводят сложную междисциплинарную атаку на основные принципы теории вибрации, используя синтетическую органическую химию, гетерологичную экспрессию обонятельных рецепторов и теоретические соображения, чтобы не найти никаких доказательств в поддержку теории запаха». Турин комментирует, что Блок использовал «клетки в чашке Петри, а не в целых организмах» и что «экспрессия обонятельного рецептора в клетках эмбриональной почки человека неадекватно воспроизводит сложную природу обоняния», на что Восшалл отвечает: «Клетки эмбриональной почки не идентичны клеткам в носу, но если вы изучаете рецепторы, это лучшая система в мире». В письме редактору PNAS Турин и соавторы выражают обеспокоенность по поводу работы Блока и соавторов. Недавнее исследование описывает реакцию первичных обонятельных нейронов в культуре тканей на изотопы и показывает, что небольшая часть популяции (<1%) четко различает изотопы, некоторые даже демонстрируют реакцию «все или ничего» на H или D изотопомеры октаналя. Авторы объясняют это «гиперчувствительностью» некоторых рецепторов к различиям в гидрофобности между нормальными и деутерированными ароматизаторами.

A major prediction of Turin's vibration theory of olfaction is the isotope effect: that the normal and deuterated versions of a compound should smell different due to unique vibration frequencies, despite having the same shape. A 2001 study by Haffenden et al. showed humans able to distinguish benzaldehyde from its deuterated version. However, experimental tests published in Nature Neuroscience in 2004 by Keller and Vosshall failed to support this prediction, with human subjects unable to distinguish acetophenone and its deuterated counterpart. The study was accompanied by an editorial, which considered the work of Keller and Vosshall to be "refutation of a theory that, while provocative, has almost no credence in scientific circles." It continued, "The only reason for the authors to do the study, or for Nature Neuroscience to publish it, is the extraordinary and inappropriate degree of publicity that the theory has received from uncritical journalists." The journal also published a review of The Emperor of Scent, calling Chandler Burr's book about Turin and his theory "giddy and overwrought." However, tests with animals have shown fish and insects able to distinguish isotopes by smell. Biophysical simulations published in Physical Review Letters in 2007 suggest that Turin's proposal is viable from a physics standpoint. The vibration theory received possible support from a 2004 paper published in the journal Organic Biomolecular Chemistry by Takane and Mitchell, which shows that odor descriptions in the olfaction literature correlate more strongly with vibrational frequency than with molecular shape. In 2011, Turin and colleagues published a paper in PNAS showing drosophila fruit flies can distinguish between odorants and their deuterated counterparts. Tests on drosophila differ from human experiments by using an animal subject known to have a good sense of smell and free from psychological biases that may complicate human tests. Drosophila were trained to avoid the deuterated odorant in a deuterated/normal pair, indicating a difference in odor. Furthermore, drosophila trained to avoid one deuterated odorant also avoided other deuterated odorants, chemically unrelated, indicating that the deuterated bond itself had a distinct smell. The authors identified a vibrational frequency that could be responsible and found it close to one found in nitriles. When flies trained to avoid deuterated odorants were exposed to the nitrile and its non nitrile counterpart, the flies also avoided the nitrile, consistent with the theory that fly olfaction detects molecular vibrations. Two years later, in 2013, Turin and colleagues published a study in PLoS ONE showing that humans easily distinguish gas chromatography purified deuterated musk in double blind tests. The team chose musks due to the high number of carbon hydrogen bonds available for deuteration. They replicated the earlier results of Vosshall and Keller showing that humans cannot reliably distinguish between acetophenone and its deuterated counterpart, with 8 hydrogens, and showed that humans only begin to detect the isotope odor of the musks beginning at 14 deuteriums, or 50% deuteration. Because Turin's proposed mechanism is a biological method of inelastic electron tunnelling spectroscopy, which exploits a quantum effect, his theory of olfaction mechanism has been described as an example of quantum biology. In response to Turin's 2013 paper, involving deuterated and undeuterated isotopomers of the musk cyclopentadecanone, report that the human musk recognizing receptor, OR5AN1, identified using a heterologous olfactory receptor expression system and robustly responding to cyclopentadecanone and muscone (which has 30 hydrogens), fails to distinguish isotopomers of these compounds in vitro. Furthermore, the mouse (methylthio)methanethiol recognizing receptor, MOR244 3, as well as other selected human and mouse olfactory receptors, responded similarly to normal, deuterated, and carbon 13 isotopomers of their respective ligands, paralleling results found with the musk receptor OR5AN1. Based on these findings, the authors conclude that the proposed vibration theory of olfaction does not apply to the human musk receptor OR5AN1, mouse thiol receptor MOR244 3, or other olfactory receptors examined. Additionally, theoretical analysis by the authors shows that the proposed electron transfer mechanism of the vibrational frequencies of odorants could be easily suppressed by quantum effects of nonodorant molecular vibrational modes. The authors conclude: "These and other concerns about electron transfer at olfactory receptors, together with our extensive experimental data, argue against the plausibility of the vibration theory." In commenting on this work, Vosshall writes "In PNAS, Block et al shift the "shape vs. vibration" debate from olfactory psychophysics to the biophysics of the ORs themselves. The authors mount a sophisticated multidisciplinary attack on the central tenets of the vibration theory using synthetic organic chemistry, heterologous expression of olfactory receptors, and theoretical considerations to find no evidence to support the vibration theory of smell." While Turin comments that Block used "cells in a dish rather than within whole organisms" and that "expressing an olfactory receptor in human embryonic kidney cells doesn't adequately reconstitute the complex nature of olfaction ", Vosshall responds "Embryonic kidney cells are not identical to the cells in the nose but if you are looking at receptors, it's the best system in the world." In a Letter to the Editor of PNAS, Turin et al. raise concerns about Block et al. A recent study describes the responses of primary olfactory neurons in tissue culture to isotopes and finds that a small fraction of the population (<1%) clearly discriminates between isotopes, some even giving an all or or none response to H or D isotopomers of octanal. The authors attribute this to "hypersensitivity" of some receptors to differences in hydrophobicity between normal and deuterated odorants.

Биоэлектроника

В Турине был подан один из первых патентов на полупроводниковое устройство, созданное с использованием белка. Недавние исследования Турина посвящены связи его теории обоняния с более общими механизмами активации G-белок-связанных рецепторов (GPCR). В статье, опубликованной в журнале Inference Review, он предположил, что электронный механизм является частным случаем более широкого участия электронных токов в GPCR. В препринте 2019 года утверждается, что структура родопсина, полученная с помощью рентгенодифракционного анализа с самым высоким разрешением и считающаяся предком всех GPCR, содержит элементы электронной схемы. Он также сообщил об обнаружении неравновесных электронных спинов у дрозофилы по их радиочастотному излучению, хотя это пока описывается как "работа в стадии разработки".

Роль в деле Анри Корна

В 1988 году Турин начал работать в лаборатории под руководством исследователя в области нейронаук Анри Корна в Институте Пастера. Там Турин и его коллега Николь Роперт доложили руководству, что, по их мнению, некоторые исследования Корна по нейротрансмиттерам были основаны на сфальсифицированных результатах. После того, как Турин официально обратился в CNRS с просьбой провести расследование, ему было предложено найти работу за пределами Франции, а Роперт также попросили уйти. В 1992 году Корн был удостоен престижной премии Ричарда Лунсбери и стал членом Национальной академии наук США и Французской академии наук. Затем, в 2007 году, повторный анализ данных Корна Жаком Нинио, опубликованный в журнале "Journal of Neurophysiology", выявил серьезные аномалии, указывающие на то, что результаты действительно были сфальсифицированы. Рубрика завершилась в 2014 году. Собрание рубрик было издано в виде книги.

Награды и почести

В 2001 и 2004 годах Турин был удостоен премии «Жасмин» — высшей награды Франции за статьи о парфюмерии. В 2009 году он получил премию «Жасмин» в Великобритании.