El sistema permite distinguir odorantes de características muy similares basándose en la interacción de unión con el receptor, que provoca un cambio en la respuesta capacitiva del mismo.

El sistema olfativo humano distingue a miles de odorantes gracias a la interacción específica con los receptores olfativos de las neuronas sensoriales. Cada receptor puede detectar varios odorantes con intensidades variables, y un mismo odorante puede activar más de un receptor. Esta combinación compleja de señales genera nuestra percepción de los olores.

La relevancia biológica del olfato, que nos permite buscar alimentos, interactuar socialmente y detectar peligros, impulsó el desarrollo de sensores olfativos con diversas aplicaciones industriales. Aunque los sensores basados en receptores olfativos tienen una sensibilidad muy elevada, llegando a detectar concentraciones tan bajas como el nivel femtomolar —una parte entre mil billones —, todavía presentan una limitación: no pueden distinguir con precisión entre los diferentes odorantes que los activan.

En este contexto, un estudio reciente liderado por el Instituto de Bioingeniería de Cataluña y el Centro de Investigación Biomédica en Red de Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina (CIBER-BBN_), en colaboración con el Centre des Sciences Du Goût et de l’Alimentation y el Institut de Chimie de Nice, ha desarrollado un método innovador para distinguir entre odorantes que activan un mismo receptor. Este método se basa en la detección de pequeños cambios eléctricos en el receptor, conocidos como respuesta capacitiva. Estos cambios son proporcionales a la potencia con que el odorante se une al receptor, emulando así la respuesta fisiológica a un olor.

“Hemos visto que, cuando el receptor entra en contacto con uno de los compuestos, se produce un cambio en la respuesta eléctrica proporcional a la fuerza con que el compuesto se une al receptor. Esta información ayuda a entender mejor cómo funciona el reconocimiento de olores a nivel molecular y cómo se puede aplicar este conocimiento para diseñar sensores más efectivos”, explicó Anna Lagunas, primera autora del estudio e investigadora senior del grupo de Nanobioingeniería del IBEC, liderado por Josep Samitier.

Esta innovación marca un paso adelante en el diseño de sensores más precisos, que podrían tener aplicaciones en el cribado de odorantes u otros campos tecnológicos e industriales.

Detección selectiva de odorantes

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Para los experimentos, se inmovilizó un receptor olfativo humano (hOR1A1) sobre una superficie de oro con un anticuerpo, asegurando su orientación y mejorando la sensibilidad de las medidas. Los tres odorantes utilizados ( dihidrojasmona y dos formas de la carvona), son agonistas del receptor, es decir, todos son capaces de activarlo dando lugar a olores diferentes, lo que permite simular activaciones fisiológicas reales.

El estudio, que también ha contado con la participación del grupo de Nanosondas y Nanoconmutadores del IBEC, liderado por Pau Gorostiza, explica que el aumento en la capacidad del sensor para identificar sustancias se debe, entre otros factores, a la respuesta eléctrica específica del receptor, relacionada con una propiedad intrínseca llamada momento dipolar, que varía en presencia del odorante. El momento dipolar es una medida de cómo las cargas eléctricas dentro de una molécula están distribuidas. En este caso, los cambios en el momento dipolar del receptor cuando se vincula con una molécula de odorante son clave para detectarla.

• El artículo Ligand discrimination in hOR1A1 based on the capacitive response, sobre un estudio experimental, fue publicado en Biosensors and Bioelectronics. Autores: Anna Lagunas, Christine Belloir, Maxence Lalis, Loïc Briand, Jérémie Topin, Pau Gorostiza & Josep Samitier.

• Pueden acceder al artículo en el sitio del IBEC.

English version

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Biosensors based on olfactory receptors to decipher the human sense of smell

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The system makes it possible to discriminate between odours with very similar characteristics based on the binding interaction with the receptor, which causes a change in the capacitive response of the receptor.

The human olfactory system discriminates between thousands of odours by interacting specifically with olfactory receptors on sensory neurons. Each receptor can detect several odorants at different intensities, and the same odorant can activate more than one receptor. This complex combination of signals generates our olfactory perception.

The biological importance of olfaction, which enables us to forage, interact socially and detect danger, has driven the development of olfactory sensors with various industrial applications. Although olfactory receptor-based sensors are very sensitive, detecting concentrations down to the femtomolar level - parts per thousand trillion - they have one limitation: they cannot accurately distinguish between the different odours that trigger them.

In this context, a recent study led by the Institute for Bioengineering of Catalonia (IBEC) and the Centre for Biomedical Research Network on Bioengineering, Biomaterials and Nanomedicine (CIBER-BBN), in collaboration with the Centre des Sciences Du Goût et de l’Alimentation and the Institut de Chimie de Nice, has developed an innovative method to distinguish between odours that activate the same receptor. This method is based on the detection of small electrical changes in the receptor, known as the capacitive response. These changes are proportional to the strength with which the odorant binds to the receptor, mimicking the physiological response to an odour.

“We have seen that when the receptor comes into contact with one of the compounds, there is a change in the electrical response that is proportional to the strength with which the compound binds to the receptor. This information helps us to better understand how olfactory recognition works at the molecular level and how this knowledge can be used to design more effective sensors,” explains Anna Lagunas, first author of the study and senior researcher in IBEC’s Nanobioengineering group led by Josep Samitier.

This innovation is a step forward in the design of more precise sensors, which could have applications in odour screening or in other technological and industrial fields.

Selective detection of odours

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For the experiments, a human olfactory receptor (hOR1A1) was immobilised on a gold surface with an antibody to ensure its orientation and improve the sensitivity of the measurements. The three olfactory substances used ( dihydrojasmone and two forms of carvone) are agonists of the receptor, i.e. they are all capable of activating it, giving rise to different odours, which makes it possible to simulate real physiological activations.

The study, which also involved IBEC’s Nanoprobes and Nanoswitches group led by Pau Gorostiza, explains that the sensor’s increased ability to identify substances is due, among other things, to the specific electrical response of the receptor, linked to an intrinsic property called the dipole moment, which varies in the presence of the odorant. The dipole moment is a measure of the distribution of electrical charges within a molecule. In this case, changes in the dipole moment of the receptor when it binds to an odour molecule are key to detecting it.

• The article -about an experimental study- Ligand discrimination in hOR1A1 based on the capacitive response was published in Biosensors and Bioelectronics. Authors: Anna Lagunas, Christine Belloir, Maxence Lalis, Loïc Briand, Jérémie Topin, Pau Gorostiza & Josep Samitier.

• You can access the article at IBEC’s website