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哥伦比亚大学的科学家绘制了人类甜味感受器的三维结构图，这是一种让我们品尝甜味的分子机器。这可能会导致发现新的受体调节因子，从而显著改变我们对糖的吸引力和食欲。
我们对糖的迷恋已经达到了不健康的程度。现在，美国人平均每年消费超过100磅的甜食，而1800年是18磅。
随着5月7日发表在《细胞》杂志上的一项新研究，哥伦比亚大学的科学家们在应对这一公共卫生危机方面迈出了重要一步。他们首次绘制了人类甜味感受器的三维结构图，这种分子机器使我们能够品尝甜味。这可能会导致发现新的受体调节因子，从而显著改变我们对糖的吸引力和食欲。
“糖在肥胖中扮演的主要角色不容忽视，”该研究的第一作者之一Juen Zhang博士说，他是哥伦比亚大学祖克曼研究所和霍华德休斯医学研究所查尔斯祖克博士实验室的博士后研究员。“我们今天用来代替糖的人造甜味剂并不能有效地改变我们对糖的渴望。现在我们知道了受体的样子，我们可能能够设计出更好的东西。”
我们舌头上的甜味感受器可以检测到大量不同的甜味化学物质，从普通的蔗糖（也称为蔗糖）到鸡蛋中的抗菌酶。不像其他感受器——对苦、酸或其他味道的感受器——我们的甜味感受器进化得不是很敏感。这有助于我们专注于富含糖的食物来获取能量，并促使我们需要大量的甜食来满足我们对甜食的喜爱。
确定人类甜味受体的结构是理解它如何帮助我们检测甜味的关键，从根本上推进我们对味觉的理解。20多年前，祖克博士和他的同事们发现了哺乳动物甜味受体背后的基因。这项具有里程碑意义的工作揭示了它的化学式，但直到现在还没有人知道它的确切形状，就像知道蛋糕的配方并不能告诉你糕点完成后的样子一样。
祖克博士说，在没有这些知识的情况下，了解甜味检测的分子基础，从而合理地设计出调节这种重要受体功能的方法，一直是一个挑战。这项新工作也是在祖克的实验室里进行的。
“我们今天使用的所有人工甜味剂要么是偶然发现的，要么是基于已知的甜味分子，”该研究的合著者、祖克实验室的研究助理布莱恩·王（Brian Wang）说。“因此，大多数人造甜味剂都有缺点。”
这项新工作以前所未有的细节绘制了人类甜味受体的结构，分辨率高达2.8埃。相比之下，最小的原子氢的宽度略大于1埃。
研究人员采用了创新的方法，花了大约三年的时间来绘制人类甜味受体的结构，这在很大程度上是因为在实验室培养皿中很难在细胞上培养这种蛋白质。
该研究的第一作者之一、祖克实验室的博士生陆正远说：“仅仅是获得纯化蛋白质，我们就在三年的时间里用了150多种不同的制剂来绘制结构图。”
然后，科学家们使用冷冻电子显微镜（cryo-EM）来分析人类的甜味感受器。这项技术向冻结在溶液中的分子发射电子束，帮助研究人员从不同的角度捕捉这些分子的快照，从中他们可以在原子水平上重建它们的三维结构。
特别重要的是，低温电子显微镜揭示了受体的结合袋：甜食附着的地方，引发了一系列反应，促使我们对甜食产生强烈的食欲。
“非常准确地定义这种受体的结合袋对于理解它的功能至关重要，”该研究的合著者安东尼·菲茨帕特里克博士说，他是哥伦比亚祖克曼研究所的首席研究员。菲茨帕特里克博士补充说：“通过了解它的确切形状，我们可以知道为什么甜味剂附着在它上面，以及如何制造或找到更好的分子来激活受体或调节其功能。”菲茨帕特里克博士也是哥伦比亚大学瓦格洛斯内外科医学院生物化学和分子生物物理学助理教授。
人类的甜味感受器主要由两部分组成。其中一个被命名为TAS1R2，拥有一个类似于捕蝇草的捆绑袋。了解这部分的结构也可以帮助我们理解为什么人们对甜食的敏感程度不同。
科学家们绘制了这种受体与两种最常用的人工甜味剂阿斯巴甜和三氯蔗糖结合的结构。它们的甜度分别是蔗糖的200倍和600倍。
然后，研究人员系统地改变了受体的微小部分。该研究的合著者、祖克实验室的博士生于瑞环说，这有助于揭示这些部分在与甜味剂结合时所起的作用。
“我们正试图推动我们对科学的理解，以便能够帮助人们，”研究报告的合著者、菲茨帕特里克实验室的研究技术人员安德鲁·张（Andrew Chang）说。
虽然人类的甜味感受器主要存在于口腔的味蕾上，但张博士指出，它也分散在全身各处，可能在胰腺等器官的功能中发挥作用。因此，这种受体结构的新图谱可能会支持研究我们的新陈代谢，以及糖尿病等疾病。
The Structure of Human Sweetness
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