Odore di… morte – The smell of death

Ovvero come avere un costume per Halloween davvero impeccabile

 

Michael Wolgemut, Danza macabra (1493) da Liber chronicarum di Hartmann Schedel.

Michael Wolgemut, Danza macabra (1493) da Liber chronicarum di Hartmann Schedel.

 

Nel caso voleste vestirvi da morti viventi e celebrare degnamente Halloween c’è una cosa da fare assolutamente per essere credibili e davvero spaventosi: datevi una spruzzata di cadaverina e putrescina, l’odore di morto.

Qualunque zombie degno di questo nome infatti dovrebbe avere oltre all’andatura legnosa e la pelle verdognola con qualche vermetto attaccato, anche un bell’odore putrescente. Come si ottiene? In realtà, come spesso succede, quello definito come “odore di morte” è un bouquet di almeno 400 diverse molecole chimiche, ma tra queste alcune sono particolarmente degne di nota: cadaverina, putrescina, scatolo e indolo.

Perché i cadaveri in putrefazione puzzano? Intanto chiariamo una cosa: puzzano secondo noi, ma non tutti i nasi sono uguali. Prendete per esempio gli animali che si cibano di carcasse, o gli insetti che vi depositano le larve. Per molti esseri viventi riconoscere e essere attratti da questi odori pestiferi è vitale, nel vero senso della parola. Anche animali come i ratti e i pesci rossi sono moderatamente attratti da composti come cadaverina e putrescina, mentre altri usano questi odori per delimitare il territorio. Come si sviluppano? Il processo di decomposizione di un corpo attraversa diversi stadi: quando il cuore smette di battere si interrompe la circolazione sanguigna, perciò il sangue non irrora più i tessuti, e le cellule, non ricevendo più ossigeno e nutrimento, muoiono. L’azione di diversi tipi di batteri produce i primi odori. Le loro attività metaboliche producono infatti diversi tipi di gas che causano il classico gofiore del corpo e la sua puzza. Man mano che le molecole organiche del cadavere vengono digerite e altre quindi si formano, cambiano anche i batteri e gli insetti che usano in vario modo queste sostanze. Questa macabra staffetta è utile tra l’altro se si è sulla scena di un crimine: per stabilire l’ora del decesso gli investigatori si rifanno alle perizie dei patologi e degli entomologi che fanno un’analisi gli insetti infestanti.

decomposition

 

Ad ogni modo, le molecole più puzzolenti sono ammine e composti solforati. Putrescina (Butano-1,4,diamina) e cadaverina (Pentano, 1,5, diamina), descritte nel 1885 dal medico Ludwig Brieger, hanno il caratteristico odore di carne putrefatta – sono reponsabili anche della classica fiatella che si ha appena svegli – e sono molecole organiche a catena corta con due gruppi aminici alle estremità. La differenza tra le due sta nell’origine da due diversi aminoacidi: argininia e lisina. Ci sarebbe poi da dire che l’arginina nel diventare putrescina subisce un passaggio intermedio nel quale viene trasformata in ornitina, la quale entra anche nel ciclo dell’urea e come risultato finale del processo contribuisce all’odore caratteristico dell’urina. Il metabolismo delle proteine, essendo fatte di aminoacidi, di solito porta a molecole piuttosto odorose per via del gruppo amminico –NH2 (azoto, idrogeno) – parente dell’ammoniaca (NH4) per capirci – in diverse declinazioni. Ecco anche perché per esempio la pupù degli animali carnivori di solito ha un odore più pungente rispetto a quella degli erbivori.

Lo scatolo (3-metilindolo), dall’ odore più fecale, e l’indolo, più muffoso, danno invece al cadavere delle declinazioni odorose più stantie, ma si tratta di molecole che a basse concentrazioni hanno un sentore floreale. Lo scatolo, oltre a essere attraente per molti insetti lo si trova anche negli olii essenziali dei fiori d’arancio e del gelsomino, infatti insieme all’indolo viene usato anche in profumeria.

 The smell of death

 

How was your Halloween? Have you spotted any credible scary deadly monster around, or have you been yourself one of them? Did it worked out?

Well, one of the most important features of any respectable zombie is an awful, horrid, disgusting smell of putrescent flesh. How to get that?

First, we should notice that what we usually call “smell of death” is actually a mixture of more than 400 different compounds including putrescine, cadaverine, skatole (3-methylindole), and indole, which are released at a certain moment of the decaying process of a carcass or a corpse. Let’s have a look how it works.

When heart stops beating the blood stops flowing to the tissues and cells, without oxygen and nutrients, start to die. Bacteria take advantage from the situation, they start to eat and grow releasing gas as a by-product of digestion. Thus, the corpse body starts inflating and stinking.

As soon as all the organic compounds have been digested, the population of bacteria and insects able to eat the remains changes. This is how, for example, pathologist and forensic science can estimate the time of death during criminal investigations. Forensic entomology studies the succession pattern of insects and arthropods found on the decomposed cadavers. Therefore, depending on which kind of insect they found on the body, they can estimate the stage of decomposition and the time of death.

Among the most stinky molecules responsible for the smell of death we found sulfur and amine derivatives compounds. First discovered by the physician Ludwig Brieger in 1885, putrescine (1,4-diaminobutane) and cadaverine (1,5-pentanediamine) are both produced by the breakdown of amino acids arginine and lysine respectively, and they are the major responsible for the foul smell of putrefying flesh. By the way, they are also responsible, with other molecules, of bad breath, vaginosis odor and some of other body scents.

Usually protein metabolism produces smelly molecules because proteins are made out of amino acids, and the products of their metabolism usually are NH2 – compounds, similar to “ammonia” (NH4) derivatives to say it sample. This is why, for example, the poop of carnivores is smellier than that from vegetarian animals.

Skatole and indole are quite smelly as well. The fascinating thing about them is that they are also present in some essential oils from flowers like jasmine. Many insects are very attracted from them, which is the reason why many flowers evolved a way to produce such compounds. They have an odor which in small concentration can result flowery and pleasant, and they are used along with other compounds in perfumery as well.

Ready for being the scariest zombie ever?

Bonus
Come si fa la cadaverina?
How to make cadaverine.
 

 

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Se la zanzara perde il fiuto (per l’uomo)

Una mutazione e la zanzara non riconosce più l’odore umano

Una zanzara Aedes aegypty mentre banchetta sul braccio (o con il braccio?) di Leslie Vosshal. Credit: L.Vosshal, Rockefeller University

Una zanzara Aedes aegypty mentre banchetta sul braccio (o con il braccio?) di Leslie Vosshal.
Credit: L.Vosshal, Rockefeller University

Generalmente le femmine di zanzara sono di buon appetito e non fanno troppo le schizzinose nello scegliere chi pungere per nutrirsi. Ci sono però due specie, Anopheles gambiae e Aedes aegypty, con gusti un po’ più elaborati e una speciale predilezione per gli umani. Pare infatti che l’odore della pelle, il calore corporeo e l’anidride carbonica (CO2) emessi dai nostri corpi costituiscano un mix irresistibile per questi insetti. Che fortuna.
La questione è ancora più seria di quanto possa sembrare poiché Anopheles gambiae a Aedes aegypty sono pericolosi vettori di malaria e Dengue (febbre emorragica).  In diversi laboratori si studia da tempo la biologia di queste zanzare cercando di capire quali siano i meccanismi molecolari che regolano il funzionamento dei loro chemorecettori e in base a cosa riescono distinguere e scegliere le loro prede. Il gruppo di ricerca di Leslie Vosshal della Rockefeller University di New York ha appena pubblicato sulla rivista scientifica Nature i risultati di una ricerca dalla quale è emerso che un corecettore olfattivo, chiamato orco, svolge un ruolo importante nella capacità di queste zanzare di distinguere l’odore degli esseri umani da quello di altri animali. I ricercatori hanno inoltre scoperto qualcosa di più sul funzionamento del repellente DEET (N,N-Diethyl-meta-toulamide).

L’olfatto delle zanzare e “la prova di coraggio”

Avevo assistito proprio lo scorso autunno a una conferenza della Vosshal durante la quale esponeva parte dei risultati di questo studio e descriveva il metodo sperimentale utilizzato: il ricercatore offre il proprio braccio alle zanzare “normali” (wild type e eterozigoti) e a quelle con il recettore mutato in diverse condizioni sperimentali e osserva il comportamento alimentare degli insetti  (qui il video). Mi ha colpita devo dire; naturalmente il procedimento è molto più rigoroso e complicato di come ve l’ho appena descritto, quindi andiamo un po’ più a fondo.
Il sistema olfattivo degli insetti comprende diverse famiglie di chemorecettori tra le quali i recettori per gli odori (ORs), proteine localizzate sulla superficie della membrana cellulare dei neuroni olfattivi. Queste proteine sono formate da diverse subunità organizzate in domini che attraversano la membrana formando un canale che si apre in seguito al legame con la molecola chimica-stimolo. Questa struttura implica che ci siano parti della proteina che sporgono verso l’esterno della cellula e altre verso il suo interno. E qui arriviamo alla parte che ci interessa: c’è una particolare subunità sul lato extracellulare, chiamata orco, che agisce da co-recettore. Cioè per attivare il recettore olfattivo è necessario attivare anche orco. I ricercatori si sono fatti una domanda: se si introduce una mutazione in questa parte della proteina in modo da alterare la funzione di orco, le zanzare saranno ancora in grado di riconoscere le loro prede? Il loro olfatto quanto rimarrà compromesso? Per rispondere hanno quindi condotto diversi esperimenti.

Orco agisce in sinergia con la CO2

Il gruppo della Vosshal ha come prima cosa introdotto una mutazione in orco e ha testato le capacità di distinguere gli odori nelle zanzare normali e in quelle con mutazione. Da questi primi esperimenti come ci si aspettava è risultato che i recettori delle zanzare normali e di quelle eterozigoti rispondono agli odori significativamente di più rispetto a quelli delle zanzare mutate omozigoti, confermando che orco svolge un ruolo importante  nella risposta agli odori (come era stato riportanto anche per moscerino della frutta Drosophila melanogaster). I ricercatori hanno quindi proceduto con dei test comportamentali: in un primo set di esperimenti per capire se l’olfatto fosse stato compromesso o meno le zanzare sono state messe in una teca di vetro da dove potevano scegliere tra due “stanze” in cui erano presenti due diversi composti: da una parte miele, dall’altra glicerolo, una sostanza inerte e inodore ma di consistenza simile alla prima. Anche in questo caso le zanzare con la mutazione, sia maschi che femmine, non facevano differenza tra miele e glicerolo, diversavemente da quelle normali che sceglievano il miele.
Dal momento che le femmine di zanzara per garantire lo sviluppo delle proprie uova hanno bisogno di un “extra” energetico, che si procurano cibandosi di sangue, e che la caccia avviene seguendo l’odore, gli scienziati hanno poi voluto testare le capacità olfattive delle zanzare con la mutazione in orco alle prese con la scelta del pasto e hanno fatto un’interessante scoperta: esponendo i due gruppi di zanzare, quelle normali e quelle con la mutazione, all’odore umano e a un altro odore “sconosciuto”, le prime preferivano l’odore umano. Se però insieme all’odore umano era presente CO2, altra molecola normalemente emessa dal corpo umano, ecco che allora le zanzare mutate entravano in crisi e non erano più capaci di distinuere l’odore umano. Questi risultati hanno fatto pensare a un effetto sinergico della CO2 e del corecettore orco nella risposta agli odori. Si sono quindi chiesti se questo meccanismo si ripercuota in qualche modo anche sulla capacità di distinguere l’odore di diversi mammiferi dal momento che queste zanzare mostrano una predilezione per gli esseri umani.

Meglio un umano o un un porcellino d’india?

In questo esperimento alle zanzare A. Aegypti veniva offerta la scelta tra un porcellino d’India, che pure di solito non disdegnano, e un braccio umano: anche in questo caso le zanzare mutate in presenza di CO2 entravano in confusione e non sapevano più distinguere i due odori animali, diversamente da quelle normali che si fiondavano sul braccio umano. La mutazione sembra quindi alterare in qualche modo la capacità di distinguere gli odori.
È stata fatta poi un’altra interessante scoperta: queste zanzare mutate sono insensibili al repellente DEET: gli scienziati in particolare hanno osservato che le zanzare mutate non vengono tenute alla larga da questo repellente, tuttavia sono sensibili alla prova-gusto, cioè in seguito a contatto diretto con la pelle cosparsa di DEET restano a digiuno. È emerso cioè che affinché l’azione repellente del DEET sia efficace è necessario che il sistema olfattivo delle zanzare sia integro, tuttavia l’azione repellente da contatto è indipendente dalla funzionalità di orco. Questo suggerisce che l’attività repulsiva di questo composto agisca su diversi canali sensoriali. Riportando le parole della Vosshal: ”come scienziata mi fa diventare matta l’idea che da 60 anni si usi il DEET come repellente per gli insetti ma ancora non si conosca con quale meccanismo agisca” (qui il podcast per ascoltare l’intervista a Nature).

Con questo studio si capito un po’ meglio il ruolo del corecettore orco nel sistema olfattivo della zanzara Aedes aegypty. I ricercatori hanno inoltre raccolto importanti informazioni utili allo sviluppo di nuovi e più efficaci repellenti utili nel prevenire le punture di zanzare vettori di malattie infettive.

Per approfondire:

Matthew DeGennaro, Carolyn S. McBride, Laura Seeholzer, Takao Nakagawa, Emily J. Dennis, Chloe Goldman,
Nijole Jasinskiene, Anthony A. James & Leslie B. Vosshall, 2013. Orco mutant moschitoes lose strong preference for humans and are not repelled by volatile DEET. Nature letters doi: 10.1038.

Elissa A. Hallem and John R. Carlson, 2006. Coding odors by a receptor repertoire, Cell doi:10.1016.

Skinner, W. A., Tong, H., Pearson, T., Strauss, W. & Maibach, H. Human sweat components attractive to mosquitoes. Nature 207, 661–662 (1965)

Ditzen, M., Pellegrino, M. & Vosshall, L. B. Insect odorant receptors are molecular targets of the insect repellent DEET. Science 319, 1838–1842 (2008)