Published December 12, 2024
| Version v1
Publication
Numerical and analytical modelling of olfactory perception
Creators
Description
Odor perception in mammals is a multifaceted process involving interactions at the perireceptor level with odorant binding proteins (OBPs), at the receptor level with olfactory receptors (ORs), and culminating in the complex experience of perception. In this comprehensive study, we investigated odor detection across these three levels using a combination of in silico modeling, numerical tools, and in vitro experiments. At the perireceptor level, we characterized the translocation pathway to the OBP binding site. Our integrative approach identified key residues involved in ligand recognition and demonstrated that odorant binding occurs via a single pathway. We showed that the formation of a disulfide bridge at the entrance of the binding cavity eliminates ligand recognition, and that distal mutations affecting amino acids within the same dynamic network can impact binding efficiency. At the receptor level, we analyzed interactions between ORs and odorant molecules to assess the status of OR deorphanization—the identification of the first agonist for a given receptor. Our analysis revealed that while experimental methodologies influence molecule-receptor association results, 83% of findings are consistent across different conditions. Notably, 88% of human OR sequences remain to be deorphanized. We estimated the recognition breadth of ORs and odorant molecules, proposing a foundational framework for future predictive models of OR-molecule activity. At the perception level, we focused on the Extra Superior grade of ylang-ylang essential oil, an important ingredient in luxury perfumery. Employing analytical techniques alongside in silico methods, we identified key odorants responsible for its distinct scent. We developed a numerical model to predict odor detection thresholds and calculate odor activity values (OAVs), facilitating efficient reformulation efforts in response to regulatory and supply challenges. By integrating experimental and computational methods across these levels, this work aims to bridge the gap between fundamental research and practical applications in fragrance industry.
Abstract (French)
La perception des odeurs chez les mammifères est un processus à multiples facettes impliquant des interactions au niveau des pérorécepteurs avec les protéines de liaison des odorants (OBP), au niveau des récepteurs avec les récepteurs olfactifs (OR), et aboutissant à l'expérience complexe de la perception. Dans cette étude complète, nous avons étudié la détection des odeurs à ces trois niveaux en combinant la modélisation in silico, les outils numériques et les expériences in vitro. Au niveau du pérorécepteur, nous avons caractérisé la voie de translocation vers le site de liaison de l'OBP. Notre approche intégrative a permis d'identifier les résidus clés impliqués dans la reconnaissance du ligand et de démontrer que la liaison de l'odorant se fait par une seule voie. Nous avons montré que la formation d'un pont disulfure à l'entrée de la cavité de liaison élimine la reconnaissance du ligand, et que des mutations distales affectant des acides aminés au sein du même réseau dynamique peuvent avoir un impact sur l'efficacité de la liaison. Au niveau des récepteurs, nous avons analysé les interactions entre les RO et les molécules odorantes afin d'évaluer l'état de la désorphanisation des RO, c'est-à-dire l'identification du premier agoniste pour un récepteur donné. Notre analyse a révélé que si les méthodologies expérimentales influencent les résultats de l'association molécule-récepteur, 83 % des résultats sont cohérents dans des conditions différentes. Notamment, 88 % des séquences OR humaines doivent encore être désorphanisées. Nous avons estimé l'étendue de la reconnaissance des RO et des molécules odorantes, proposant un cadre fondamental pour les futurs modèles prédictifs de l'activité des RO et des molécules. Au niveau de la perception, nous nous sommes concentrés sur la qualité Extra Supérieure de l'huile essentielle d'ylang-ylang, un ingrédient important de la parfumerie de luxe. En utilisant des techniques analytiques et des méthodes in silico, nous avons identifié les odorants clés responsables de son odeur distincte. Nous avons développé un modèle numérique pour prédire les seuils de détection des odeurs et calculer les valeurs d'activité olfactive (OAV), facilitant ainsi les efforts de reformulation en réponse aux défis réglementaires et d'approvisionnement. En intégrant des méthodes expérimentales et informatiques à tous ces niveaux, ce travail vise à combler le fossé entre la recherche fondamentale et les applications pratiques dans l'industrie de la parfumerie.Additional details
Identifiers
- URL
- https://theses.hal.science/tel-05031061
- URN
- urn:oai:HAL:tel-05031061v1
Origin repository
- Origin repository
- UNICA