Alex Wiltschko mulai mengoleksi parfum saat remaja. Botol pertamanya adalah Azzaro Pour Homme, cologne abadi yang dia temukan di rak di department store TJ Maxx. Dia mengenali nama itu dari Parfum: Panduan, sebuah buku yang deskripsi puitisnya tentang aroma telah memulai obsesinya. Terpesona, dia menabung uang sakunya untuk menambah koleksinya. "Saya akhirnya benar-benar jatuh ke lubang kelinci," katanya.
Baru-baru ini, sebagai ahli saraf penciuman untuk Google Research's Tim Otak, Wiltschko menggunakan pembelajaran mesin untuk membedah pengertian kita yang paling kuno dan paling tidak dipahami. Kadang-kadang dia menatap rekan-rekannya yang mempelajari indera lain dengan penuh kerinduan. “Mereka memiliki struktur intelektual yang indah ini, katedral pengetahuan ini,” katanya, yang menjelaskan dunia visual dan pendengaran, mempermalukan apa yang kita ketahui tentang penciuman.
Namun, karya terbaru Wiltschko dan rekan-rekannya membantu mengubah itu. Di kertas pertama kali diposting di server pracetak biorxiv.org pada bulan Juli, mereka menjelaskan penggunaan pembelajaran mesin untuk mengatasi tantangan lama dalam ilmu penciuman. Temuan mereka secara signifikan meningkatkan kemampuan peneliti untuk menghitung bau molekul dari strukturnya. Selain itu, cara mereka meningkatkan perhitungan tersebut memberikan wawasan baru tentang cara kerja indera penciuman kita, mengungkapkan urutan tersembunyi tentang bagaimana persepsi kita tentang penciuman sesuai dengan kimia dunia kehidupan.
Saat Anda menghirup aroma kopi pagi Anda, 800 jenis molekul yang berbeda berjalan ke reseptor bau Anda. Dari kompleksitas potret kimia yang kaya ini, otak kita mensintesis persepsi keseluruhan: kopi. Namun, para peneliti merasa sangat sulit untuk memprediksi seperti apa bau satu molekul saja bagi kita manusia. Hidung kita menampung 400 reseptor berbeda untuk mendeteksi susunan kimiawi dunia di sekitar kita, dan kita baru mulai memahami berapa banyak reseptor tersebut yang dapat berinteraksi dengan molekul tertentu. Tetapi bahkan dengan pengetahuan itu, tidak jelas bagaimana kombinasi input bau memetakan persepsi kita tentang wewangian sebagai manis, musky, menjijikkan, dan banyak lagi.
“Tidak ada model yang jelas yang akan memberi Anda prediksi seperti apa bau kebanyakan molekul,” kata Pablo Meyer, yang mempelajari analitik biomedis dan pemodelan penciuman di IBM Research dan tidak terlibat dalam penelitian terbaru. Meyer memutuskan untuk menjadikan masalah struktur-ke-aroma ikonik sebagai fokus IBM Tantangan MIMPI 2015, kompetisi crowdsourcing komputasi. Tim berkompetisi untuk membangun model yang dapat memprediksi bau molekul dari strukturnya.
Tetapi bahkan model terbaik pun tidak dapat menjelaskan semuanya. Dibumbui seluruh data yang sial, kasus tidak teratur yang menolak prediksi. Terkadang, perubahan kecil pada struktur kimia molekul menghasilkan bau yang sama sekali baru. Di lain waktu, perubahan struktural besar nyaris tidak mengubah bau.
Organisasi Metabolik untuk Bau
Untuk mencoba menjelaskan kasus-kasus tidak teratur ini, Wiltschko dan timnya mempertimbangkan persyaratan yang mungkin dibebankan evolusi pada indra kita. Setiap indera telah disetel selama jutaan tahun untuk mendeteksi rentang rangsangan yang paling menonjol. Untuk penglihatan dan pendengaran manusia, itu adalah cahaya dengan panjang gelombang 400-700 nanometer dan gelombang suara antara 20 dan 20,000 hertz. Tapi apa yang mengatur dunia kimia yang terdeteksi oleh hidung kita?
“Satu hal yang konstan sepanjang waktu evolusi, setidaknya sejak dahulu kala, adalah mesin metabolisme inti di dalam setiap makhluk hidup,” kata Wiltschko, yang baru saja meninggalkan Google Research untuk menjadi wiraswasta di tempat tinggal di anak perusahaan modal ventura Alphabet, GV.
Metabolisme mengacu pada rangkaian reaksi kimia - termasuk siklus Krebs, glikolisis, siklus urea dan banyak proses lainnya - yang dikatalisis oleh enzim seluler dan yang mengubah satu molekul menjadi molekul lain dalam sel. Jalur reaksi yang sudah usang ini menentukan peta hubungan antara bahan kimia alami yang masuk ke hidung kita.
Hipotesis Wiltschko sederhana: Mungkin bahan kimia yang berbau serupa tidak hanya terkait secara kimia, tetapi juga terkait secara biologis.
Untuk menguji ide tersebut, timnya membutuhkan peta reaksi metabolisme yang terjadi di alam. Untungnya, para ilmuwan di bidang metabolomik telah membangun database besar yang menguraikan hubungan kimia alami ini dan enzim yang mengendapkannya. Dengan data ini, para peneliti dapat memilih dua molekul bau dan menghitung berapa banyak reaksi enzimatik yang diperlukan untuk mengubah satu molekul menjadi yang lain.
Sebagai perbandingan, mereka juga membutuhkan model komputer yang dapat mengukur bagaimana berbagai molekul berbau tercium oleh manusia. Untuk itu, tim Wiltschko telah menyempurnakan model jaringan saraf yang disebut peta bau utama yang dibangun di atas temuan kompetisi DREAM 2015. Peta ini seperti awan 5,000 titik, masing-masing mewakili aroma satu molekul. Titik-titik untuk molekul-molekul yang berbau mirip mengelompok bersama-sama, dan yang berbau sangat berbeda berjauhan. Karena cloud lebih dari 3D — ia menyimpan 256 dimensi informasi — hanya alat komputasi canggih yang dapat menangani strukturnya.
Para peneliti mencari hubungan yang sesuai dalam dua sumber data. Mereka mengambil sampel 50 pasang molekul dan menemukan bahwa bahan kimia yang lebih dekat pada peta metabolisme juga cenderung lebih dekat pada peta aroma, bahkan jika mereka memiliki struktur yang sangat berbeda.
Wiltschko tercengang dengan korelasinya. Prediksinya masih belum sempurna, tetapi lebih baik daripada model sebelumnya yang telah dicapai dengan struktur kimia saja, katanya.
"Itu tidak harus terjadi sama sekali," katanya. “Dua molekul yang secara biologis mirip, seperti satu langkah katalisis enzim, mereka bisa berbau seperti mawar dan telur busuk.” Tapi mereka tidak melakukannya. “Dan itu gila bagiku. Itu indah bagiku.”
Para peneliti juga menemukan bahwa molekul yang umumnya terjadi bersama-sama di alam - misalnya, komponen kimia yang berbeda dari jeruk - cenderung berbau lebih mirip daripada molekul tanpa asosiasi alami.
Menyelaraskan secara kimiawi dengan Alam
Temuannya "intuitif dan elegan," kata Robert Datata, seorang ahli neurobiologi di Harvard Medical School dan mantan penasihat doktoral Wiltschko, yang tidak terlibat dalam penelitian baru-baru ini. “Sepertinya sistem penciuman dibangun untuk mendeteksi berbagai kebetulan [kimia],” katanya. "Jadi metabolisme mengatur kebetulan yang mungkin." Ini menunjukkan bahwa ada fitur lain selain struktur kimia molekul yang penting bagi hidung kita — proses metabolisme yang menghasilkan molekul di alam.
“Sistem penciuman disetel untuk alam semesta yang dilihatnya, yang merupakan struktur molekul ini. Dan bagaimana molekul-molekul ini dibuat adalah bagian dari itu,” kata Meyer. Dia memuji kepintaran ide menggunakan metabolisme untuk menyempurnakan kategorisasi aroma. Meskipun peta berbasis metabolisme tidak secara drastis meningkatkan model struktural, karena asal metabolisme molekul sudah terkait erat dengan strukturnya, "itu memang membawa beberapa informasi tambahan," katanya.
Perbatasan berikutnya dari ilmu saraf penciuman akan melibatkan bau campuran, bukan molekul individu, prediksi Meyer. Dalam kehidupan nyata, kita sangat jarang menghirup hanya satu bahan kimia dalam satu waktu; pikirkan ratusan yang melayang dari cangkir kopi Anda. Saat ini, para ilmuwan tidak memiliki cukup data tentang campuran bau untuk membangun model seperti model bahan kimia murni yang digunakan dalam penelitian baru-baru ini. Untuk benar-benar memahami indera penciuman kita, kita perlu memeriksa bagaimana konstelasi bahan kimia berinteraksi untuk membentuk bau kompleks seperti yang ada di botol parfum Wiltschko.
Proyek ini telah mengubah cara Wiltschko berpikir tentang hasrat seumur hidupnya. Ketika Anda mengalami bau, "Anda merasakan bagian dari makhluk hidup lain," katanya. “Saya hanya berpikir itu sangat indah. Saya merasa lebih terhubung dengan kehidupan seperti itu.”
Catatan editor: Datta, peneliti dari Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain dan SFARI, menerima dana dari Simons Foundation, yang juga mensponsori majalah editorial independen ini.
