Approche multidisciplinaire pour mieux comprendre la première étape de la perception des arômes en mélange. – MULTIMIX

Le projet MULTIMIX repose sur l’étude de quatre mélanges : deux accords aromatiques et deux masquages :
• accord «Ananas« : isobutyrate d’éthyle (EI), éthyl-maltol (EM), hexanoate d’allyle (AH) ;
• accord «Grenadine« : acétate d’isoamyle (IA), vanilline (V), frambinone (F) ;
• masquage 1 : octanal (O) et citronellal (C) ;
• masquage 2 : acétate d’isoamyle (IA) et whisky-lactone (W).
Dans le cas de l’accord «Ananas«, un mélange d'isobutyrate d'éthyle (EI, odeur de fraise) et d'éthyl maltol (EM, odeur de caramel) avait été étudié en comparaison avec une référence (hexanoate d'allyle, AH, odeur d'ananas) choisi pour évoquer une odeur proche de celle attendue pour le mélange accord. Il s’agit d’un accord aromatique car le mélange binaire d'EI et d'EM a été perçu comme plus typique d'une odeur d'ananas que les composés sentis séparément.
L'approche «cible« concerne les ROs et NSOs : l'objectif est d'identifier et de caractériser les ROs et NSOs activés par les molécules du mélange à travers des explorations expérimentales et informatiques. La méthodologie RNA-seq mise en œuvre permet d’identifier les ROs activés par les molécules cibles et leur mélange. Ensuite, les paires odorant-RO identifiées seront compilées pour créer un réseau RO-RO en développant des approches bioinformatiques et chimiogénomiques. Enfin, l'identification des cibles RO sera complétée par l'analyse des réponses physiologiques des NSO.
L'approche «ligand« vise à étudier les propriétés moléculaires des odorants. Les objectifs sont d'identifier (i) les caractéristiques moléculaires communes par une approche pharmacophore et (ii) les liens entre les notes odorantes des odorants impliqués dans un percept homogène en explorant les réseaux de notes odorantes et odorants.

Dans le cadre de l’approche «cibles«, la méthodologie par séquençage d’ARN (RNA-seq) a permis d’identifier des cibles potentielles des molécules odorantes impliquées dans les mélanges étudiés. Les premiers résultats indiquent qu’en plus de plusieurs ROs, des cibles biologiques potentielles sont associées au métabolisme des xénobiotiques, au transport membranaire, à la signalisation et au transport moléculaire. Les mesures d’activation fonctionnelle des ROs en système cellulaire par les odorants en cours permettront une quantification de l’activité des odorants vis-à-vis des ROs cibles.
Les expériences par électro-olfactographie (EOG) sont en cours chez la souris pour mesurer les variations des potentiels électriques au niveau de l’épithélium olfactif (EO), c’est-à-dire les réponses des neurones aux différents odorants. Les premiers résultats montrent des intensités de réponse différentes selon les zones de l’EO et selon les odorants. Dans le cas de l’accord «Ananas« quelle que soit la zone, les amplitudes du signal sont les plus forte pour l’EI et le mélange EI-EM, tandis qu’elles sont les plus faibles pour EM et que les réponses à l’AH sont intermédiaires.
Dans le cadre de l’approche «ligands«, les molécules portant les notes «fraise« («strawberry«, STR), «caramel« («caramellic«, CAR) et «ananas« («pineapple«, PNA) ont été extraites à partir d’une base de près de 4000 molécules odorantes pour fournir un ensemble de 298 structures moléculaires auxquelles sont associés des descripteurs odorants. Le réseau formé par ces descripteurs odorants a montré une association privilégiée entre les notes STR et CAR et dans une moindre part entre STR et PNA. L’étude statistique des descripteurs moléculaires fait apparaitre de fortes différences structurales entre les molécules «CAR« et les molécules «PNA«, tandis que la disposition dans l’espace des caractéristiques chimiques (pharmacophores) montre certaines similitudes entre les géométries de ces molécules.

La discrimination et l'identification de milliers d'odeurs repose sur un codage combinatoire au niveau des ROs qui implique plusieurs possibilités de reconnaissance entre les odorants et les ROs. Or la plupart des ROs sont encore des récepteurs orphelins, et en raison du nombre extrêmement élevé d'odorants l'analyse de toutes les paires RO-odorant est irréalisable expérimentalement. L'identification expérimentale des ROs et NSOs cibles répondant à plusieurs molécules et la construction du réseau RO-RO fourniront une base essentielle à la compréhension du codage périphérique et du traitement du signal olfactif.
Au-delà de la perception olfactive stricto sensu, les odorants peuvent jouer un rôle biologique plus large. La prise alimentaire, l'humeur et les odeurs semblent être étroitement liées. Le rôle des odeurs dans la satiété a été souligné, mais sans tenir compte du rôle biologique des odorants. Par exemple, le système endocannabinoïde est impliqué non seulement dans les effets psychomodulateurs, mais également dans l'apport alimentaire et la régulation métabolique, peut-être via le système olfactif. Plus largement, les résultats des études RNA-seq révéleront expérimentalement les autres cibles potentielles et voies biologiques affectées par les odorants testés; ces résultats contribueront à la fois à la compréhension du processus olfactif et des effets biologiques associés au-delà de la perception olfactive.
Enfin, l'expression ectopique des ROs dans de nombreux organes non chimiosensoriels, dont l'intestin, suscite un intérêt croissant. En raison des liens étroits qui existent entre la physiologie intestinale, l'humeur, l'apport alimentaire et l'olfaction, une meilleure connaissance des ligands de ces ROs pourra être un atout précieux dans la lutte contre l'obésité et les troubles du comportement alimentaire.

Achebouche R, Tromelin A, et al. (2022). Application of artificial intelligence to decode the relationships between smell, olfactory receptors and small molecules. Scientific Reports, 12 (1), 18817, dx.doi.org/10.1038/s41598-022-23176-y, hal.inrae.fr/hal-03845677, OA

Rugard M, Jaylet T, et al. (2021). Smell compounds classification using UMAP to increase knowledge of odors and molecular structures linkages. PLoS ONE, 16 (5), e0252486, dx.doi.org/10.1371/journal.pone.0252486, hal.inrae.fr/hal-03266298, OA

Tromelin A, Koensgen F, et al. (2020). Exploring the Characteristics of an Aroma-Blending Mixture by Investigating the Network of Shared Odors and the Molecular Features of Their Related Odorants. Molecules, 25 (13), dx.doi.org/10.3390/molecules25133032, hal.inrae.fr/hal-02904635, OA

Communications

Rugard M, Tromelin A, Audouze K (2022). [P27] Chemo-Biological Analysis Applied to the Olfaction Field. Presented at : 8. Strasbourg Summer School in Chemoinformatics, Strasbourg, France (2022-06-27 - 2022-07-01), hal.inrae.fr/hal-03810731

Tromelin A, Koensgen F, et al. (2021). Exploring the odorant and molecular characteristics of molecules sharing the odour notes of an aroma blending mixture. Presented at : 16. Weurman Flavour Research Symposium, Dijon (webinar), France (2021-05-04 - 2021-05-06), dx.doi.org/10.5281/zenodo.5948755, hal.inrae.fr/hal-03582946

Rugard M, Jaylet T, et al. (2021). Increasing knowledge of odors and molecular structures linkages of smell compounds by comparing UMAP method to other classification approaches. Presented at : SFCi2021, Lille (France), Virtual meeting, France (2021-09-21 - 2021-10-01), hal.inrae.fr/hal-03442859

Tromelin A, Koensgen K, et al. (2021). Exploring the odorant and molecular characteristics of molecules sharing the odour notes of an aroma blending mixture. Presented at : 16. Weurman Flavour Research Symposium, Dijon, France (2021-05-04 - 2021-05-06), hal.inrae.fr/hal-03253812, OA

Rugard M, Zaarour D, et al. (2019). Chemo-biological analysis applied to the olfaction field. Presented at : 9. journées de la Société Française de Chémoinformatique (SFCI), Paris, France (2019-10-21 - 2019-10-22), hal.inrae.fr/hal-03800876

Soubeyre V, Taboureau O, et al. (2019). In vivo high-throughput identification of olfactory receptor repertoire coding for a blending mixture. Presented at : 12. Wartburg symposium on flavour chemistry and biology, Eisenach, Allemagne (2019-05-21 - 2019-05-24), hal.inrae.fr/hal-02936619

Tromelin A, Koensgen F et al. (2019). Exploring the network of odours shared by an aroma blending mixture. Presented at : 12. Wartburg symposium on flavour chemistry and biology, Eisenach, Allemagne (2019-05-21 - 2019-05-24), hal.inrae.fr/hal-02785784

Le Programme National Nutrition Santé (PNNS) recommande la consommation de produits alimentaires associant des qualités nutritionnelles et organoleptiques au bénéfice de la santé et du bien-être des individus. L’amélioration de la qualité nutritionnelle des aliments repose en particulier sur la diminution de leur teneur en sel, sucre et matières grasses. Néanmoins, ces modifications peuvent conduire à une perte de la qualité organoleptique des aliments, un facteur clé de leur palatabilité. Il devient donc primordial de trouver des moyens permettant d’éviter le rejet de ces aliments plus sains.
Un aliment peut être considéré comme un stimulus multimodal complexe impliquant plusieurs dimensions. La perception holistique du goût, de l'odeur et de l'arôme constitue la flaveur qui confère à l'aliment son identité et sa typicité. Il est souvent difficile de distinguer le goût et l'arôme: ce qu'on croit souvent être le «goût» d’un aliment est en réalité son odeur. En raison de l'association de l'arôme et du goût en un seul objet appelé flaveur, lorsqu'une association goût-odeur existe, l'odeur seule peut être suffisante pour produire la perception de la flaveur. Le goût d'une solution de saccharose est ainsi perçu comme étant plus doux après addition d'un arôme de caramel, tandis qu’une odeur associée à un goût salé peut accroitre la perception salée. De ce fait, les arômes peuvent être utilisés pour contrebalancer la réduction du sel, du sucre ou des graisses dans les aliments.
Dans la majorité des cas, l’odeur d’un aliment résulte de la perception de nombreuses molécules odorantes. On parle de perception homogène lorsqu’un mélange de plusieurs odorants entraîne la perception d’une odeur unique. La perception homogène fait l'objet d'applications importantes dans le domaine de l’aromatisation les aliments, soit pour donner ou rétablir la typicité de l'arôme grâce à l'utilisation d’accords aromatiques, soit pour masquer des saveurs désagréables. Néanmoins, les processus impliqués dans la perception homogène des mélanges d'odorants sont encore mal compris. Dans ce contexte, des études fondamentales apporteront des connaissances essentielles pour une conception maîtrisée de la formulation d'arômes et in fine l’élaboration d’aliments répondant aux attentes des consommateurs et aux critères d'une alimentation saine.
L'objectif du projet MULTIMIX est d'identifier les caractéristiques biologiques et moléculaires de molécules odorantes qui, en mélange, induisent une perception homogène. Dans cette perspective, MULTIMIX propose de combiner des approches in silico avec des approches in vitro, ex vivo et in vivo afin d’explorer les processus impliqués dans la perception homogène des mélanges d'odorants. Le projet se focalisera sur les mécanismes périphériques qui interviennent au niveau de la sphère nasale et qui jouent un rôle particulièrement déterminant dans la détection des mélanges homogènes. L’enjeu final du projet est de fournir un assemblage de modèles d’aide à la décision dans la formulation d'arômes.
Dans ce projet, nous capitaliserons sur des études antérieures réalisées par les partenaires du consortium MULTIMIX afin d’explorer les propriétés de plusieurs mélanges d'odorants induisant une perception d’accord aromatique ou un masquage. On peut citer à titre d’exemple le cas de deux odorants ayant respectivement une odeur de fraise et de caramel et dont le mélange donne lieu à la perception de l’odeur d'ananas.
MULTIMIX est un projet ambitieux qui aura un impact significatif dans plusieurs domaines de la chimie alimentaire et de la perception olfactive (science alimentaire, psychophysique, chimie informatique, neurophysiologie, neurosciences cognitives).