Alex Wiltschko tinédzserként kezdett parfümöket gyűjteni. Első üvege az Azzaro Pour Homme volt, egy időtlen kölni, amelyet egy TJ Maxx áruház polcán pillantott meg. Innen ismerte fel a nevet Parfümök: The Guide, egy könyv, amelynek költői aromaleírásai elindították rögeszméjét. Elbűvölve összegyűjtötte járandóságát, hogy gyarapítsa gyűjteményét. „Végül a nyúllyukba kerültem” – mondta.
Nemrég a Google Research szaglóidegkutatójaként Agycsapat, Wiltschko a gépi tanulás segítségével boncolgatta legősibb és legkevésbé értett érzékünket. Néha szinte vágyakozva nézett a többi érzékszerveket tanulmányozó kollégáira. „Ezekkel a gyönyörű intellektuális struktúrákkal, a tudás katedrálisaival rendelkeznek” – mondta, amelyek megmagyarázzák a vizuális és hallási világot, megszégyenítve azt, amit a szaglásról tudunk.
Wiltschko és kollégái legújabb munkái azonban segítenek ezen változtatni. Ban ben egy papír Először júliusban tettek közzé a biorxiv.org preprint szerveren, és leírták, hogy gépi tanulást alkalmaznak a szaglástudomány régóta fennálló kihívásának megbirkózásában. Eredményeik jelentősen javították a kutatók azon képességét, hogy kiszámolják egy molekula szagát annak szerkezetéből. Ráadásul az a mód, ahogyan javították ezeket a számításokat, új betekintést engedett szaglásunk működésébe, felfedve egy rejtett rendet abban, hogy a szagokról alkotott felfogásunk miként felel meg az élővilág kémiájának.
Amikor belélegzed a reggeli kávét, 800 különböző típusú molekula jut el a szagreceptorokhoz. Ennek a gazdag kémiai portrénak a bonyolultságából agyunk egy általános érzékelést szintetizál: a kávét. A kutatók azonban rendkívül nehéznek találták megjósolni, milyen szagú lesz akár egyetlen molekula is nekünk, embereknek. Az orrunk 400 különböző receptort tartalmaz a körülöttünk lévő világ kémiai felépítésének kimutatására, és még csak most kezdjük felfogni, hogy ezek közül hány receptor tud kölcsönhatásba lépni egy adott molekulával. De még ennek tudatában sem világos, hogy a bevitt szagkombinációk hogyan illeszkednek az édes, pézsmás, undorító és még sok más illatról alkotott képünkre.
"Nem volt egyértelmű modell, amely előrejelzést adna arról, hogy a legtöbb molekula milyen illatú" - mondta Pablo Meyer, aki orvosbiológiai analitikával és a szaglás modellezésével foglalkozik az IBM Researchnél, és nem vett részt a közelmúltbeli tanulmányban. Meyer úgy döntött, hogy az ikonikus szerkezet-illat problémát állítja az IBM középpontjába 2015-ös DREAM kihívás, egy számítástechnikai crowdsourcing verseny. A csapatok versenyeztek, hogy olyan modelleket építsenek, amelyek megjósolhatják egy molekula szagát a szerkezetéből.
De még a legjobb modellek sem tudtak mindent megmagyarázni. Az adatokat végig borzolták a bosszantó, szabálytalan esetek, amelyek ellenálltak a jóslatoknak. Néha egy molekula kémiai szerkezetének apró módosításai teljesen új szagot eredményeztek. Máskor a nagyobb szerkezeti változások alig változtatták meg a szagot.
A szagok metabolikus szervezete
Hogy megpróbálja megmagyarázni ezeket a szabálytalan eseteket, Wiltschko és csapata mérlegelte azokat a követelményeket, amelyeket az evolúció kényszeríthetett érzékszerveinkre. Minden egyes érzékszervet több millió éven keresztül hangoltak az ingerek legszembetűnőbb tartományának észlelésére. Az emberi látás és hallás szempontjából ez 400-700 nanométer hullámhosszúságú fény és 20 és 20,000 XNUMX hertz közötti hanghullámok. De mi szabályozza az orrunk által észlelt kémiai világot?
"Az egyetlen dolog, ami állandó volt az evolúció során, legalábbis nagyon régen, az az alapvető anyagcsere-motor minden élőlényben" - mondta Wiltschko, aki nemrég hagyta el a Google Research-t, hogy rezidens vállalkozó az Alphabet kockázati tőke leányvállalatánál, a GV-nél.
Az anyagcsere a kémiai reakciók sorozatára vonatkozik – beleértve a Krebs-ciklust, a glikolízist, a karbamid-ciklust és sok más folyamatot –, amelyeket a sejtenzimek katalizálnak, és amelyek a sejtekben az egyik molekulát egy másikká alakítják át. Ezek a jól bejáratott reakcióutak az orrunkba áramló, természetesen előforduló vegyi anyagok közötti kapcsolatok térképét határozzák meg.
Wiltschko hipotézise egyszerű volt: Lehet, hogy a hasonló szagú vegyszerek nem csak kémiailag rokonok, hanem biológiailag is.
Az ötlet teszteléséhez csapatának szüksége volt a természetben előforduló metabolikus reakciók térképére. Szerencsére a metabolomika területén dolgozó tudósok már összeállítottak egy nagy adatbázist, amely felvázolta ezeket a természetes kémiai összefüggéseket és az ezeket kiváltó enzimeket. Ezekkel az adatokkal a kutatók kiválaszthattak két szagú molekulát, és kiszámíthatják, hány enzimatikus reakcióra lenne szükség az egyiknek a másikká történő átalakulásához.
Összehasonlításképpen szükségük volt egy számítógépes modellre is, amely számszerűsítené, hogy a különböző szagú molekulák milyen szagúak az emberek számára. Ebből a célból Wiltschko csapata finomította a neurális hálózati modellt fő szagtérkép amely a 2015-ös DREAM verseny eredményeire épült. Ez a térkép olyan, mint egy 5,000 pontból álló felhő, amelyek mindegyike egy molekula illatát képviseli. A hasonló szagú molekulák és a nagyon eltérő szagú molekulák pontjai messze vannak egymástól. Mivel a felhő sokkal több, mint 3D – 256 dimenziónyi információt tartalmaz –, csak a fejlett számítástechnikai eszközök képesek megbirkózni a felépítésével.
A kutatók megfelelő kapcsolatokat kerestek a két adatforráson belül. 50 molekulapárból vettek mintát, és azt találták, hogy az anyagcsere-térképen közelebb álló vegyszerek az illattérképen is közelebb voltak, még akkor is, ha nagyon eltérő szerkezetűek.
Wiltschko megdöbbent az összefüggésen. Az előrejelzések még mindig nem voltak tökéletesek, de jobbak voltak, mint bármely korábbi modell, amelyet pusztán kémiai szerkezettel értek el, mondta.
– Ennek egyáltalán nem kellett megtörténnie – mondta. "Két biológiailag hasonló molekula, mint egy enzimkatalízis lépés, rózsa- és rothadt tojásszagúak lehetnek." De nem tették. „És ez őrültség számomra. Számomra gyönyörű.”
A kutatók azt is megállapították, hogy a természetben általában együtt előforduló molekulák – például a narancs különböző kémiai komponensei – hajlamosak hasonlóbb illatúakra, mint a természetes asszociáció nélküli molekuláknak.
Kémiailag a természethez hangolva
A megállapítások „intuitívak és elegánsak” – mondta Robert Datta, a Harvard Medical School neurobiológusa és Wiltschko egykori doktori tanácsadója, aki nem vett részt a legutóbbi tanulmányban. „Olyan, mintha a szaglórendszert úgy építették volna, hogy különféle [kémiai] egybeeséseket észleljen” – mondta. "Tehát az anyagcsere szabályozza a lehetséges véletleneket." Ez azt jelzi, hogy a molekula kémiai szerkezetén kívül van egy másik tulajdonság is, amely fontos az orrunk számára – az anyagcsere-folyamat, amely a molekulát a természetben termelte.
„A szaglórendszer az általa látott univerzumra van hangolva, amelyek ezek a molekulaszerkezetek. És ennek része az is, hogy hogyan készülnek ezek a molekulák” – mondta Meyer. Méltatta annak az ötletnek az okosságát, hogy az anyagcserével finomítsák az illatok kategorizálását. Bár az anyagcsere-alapú térkép nem javít drasztikusan a szerkezeti modelleken, mivel egy molekula metabolikus eredete már szorosan összefügg a szerkezetével, "valami plusz információt hoz" - mondta.
A szaglóidegtudomány következő határa az egyes molekulák helyett a keverékek szagát fogja érinteni, jósolja Meyer. A való életben nagyon ritkán csak egy vegyszert lélegzünk be egyszerre; gondolj a kávésbögrédből felszálló százakra. Jelenleg a tudósok nem rendelkeznek elegendő adattal a szagkeverékekről ahhoz, hogy olyan modellt alkossanak, mint amilyen a tiszta vegyi anyagokra vonatkozik a közelmúltban. Ahhoz, hogy valóban megértsük szaglásunkat, meg kell vizsgálnunk, hogy a vegyi anyagok konstellációi hogyan hatnak egymásra, és olyan összetett szagokat hoznak létre, mint amilyenek a Wiltschko parfümös üvegeiben.
Ez a projekt már megváltoztatta azt, ahogyan Wiltschko gondolkodik élethosszig tartó szenvedélyéről. Amikor szagot tapasztal, „egy másik élőlény részeit észleli” – mondta. „Szerintem ez nagyon szép. Így jobban kötődöm az élethez.”
A szerkesztő megjegyzése: Datta, a Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain és a SFARI kutatója a Simons Alapítványtól kap támogatást, amely szintén szponzorálja ezt a szerkesztőileg független magazint.
