Alex Wiltschko ha iniziato a collezionare profumi da adolescente. La sua prima bottiglia è stata Azzaro Pour Homme, una colonia senza tempo che ha notato sullo scaffale di un T.J. Grandi magazzini Maxx. Ha riconosciuto il nome da Profumi: la guida, un libro le cui descrizioni poetiche dell'aroma avevano dato il via alla sua ossessione. Incantato, mise da parte la sua indennità per aggiungerla alla sua collezione. "Ho finito per andare assolutamente nella tana del coniglio", ha detto.
Più recentemente, come neuroscienziato olfattivo per Google Research Squadra del cervello, Wiltschko ha utilizzato l’apprendimento automatico per analizzare il nostro senso più antico e meno compreso. A volte guardava con desiderio i suoi colleghi che studiavano gli altri sensi. “Hanno queste bellissime strutture intellettuali, queste cattedrali della conoscenza”, ha detto, che spiegano il mondo visivo e uditivo, svergognando ciò che sappiamo dell’olfatto.
Il recente lavoro di Wiltschko e dei suoi colleghi, tuttavia, sta contribuendo a cambiare la situazione. In un documento pubblicati per la prima volta sul server di prestampa biorxiv.org a luglio, hanno descritto l’utilizzo dell’apprendimento automatico per affrontare una sfida di lunga data nella scienza olfattiva. Le loro scoperte hanno migliorato significativamente la capacità dei ricercatori di calcolare l’odore di una molecola a partire dalla sua struttura. Inoltre, il modo in cui hanno migliorato questi calcoli ha fornito nuove informazioni su come funziona il nostro senso dell’olfatto, rivelando un ordine nascosto nel modo in cui le nostre percezioni degli odori corrispondono alla chimica del mondo vivente.
Quando inspiri un soffio del tuo caffè mattutino, 800 diversi tipi di molecole viaggiano verso i tuoi recettori dell'olfatto. Dalla complessità di questo ricco ritratto chimico, il nostro cervello sintetizza una percezione complessiva: il caffè. I ricercatori, tuttavia, hanno trovato estremamente difficile prevedere quale sarà l’odore anche di una singola molecola per noi umani. I nostri nasi ospitano 400 recettori diversi per rilevare la composizione chimica del mondo che ci circonda, e stiamo solo iniziando a capire quanti di questi recettori possono interagire con una determinata molecola. Ma anche con questa conoscenza, non è chiaro come le combinazioni di input olfattivi si adattino alla nostra percezione delle fragranze come dolci, muschiate, disgustose e altro ancora.
"Non esisteva un modello chiaro che potesse fornire previsioni sull'odore della maggior parte delle molecole", ha detto Pablo Mayer, che studia analisi biomedica e modellazione dell'olfatto presso IBM Research e non è stato coinvolto nel recente studio. Meyer ha deciso di fare dell’iconico problema dalla struttura al profumo il focus di IBM Sfida SOGNO 2015, un concorso di crowdsourcing informatico. I team hanno gareggiato per costruire modelli in grado di prevedere l’odore di una molecola dalla sua struttura.
Ma anche i migliori modelli non riuscivano a spiegare tutto. Tra i dati c’erano casi fastidiosi e irregolari che resistevano alle previsioni. A volte, piccole modifiche alla struttura chimica di una molecola producevano un odore totalmente nuovo. Altre volte, importanti cambiamenti strutturali cambiavano appena l’odore.
Un'organizzazione metabolica per gli odori
Per cercare di spiegare questi casi irregolari, Wiltschko e il suo team hanno considerato le esigenze che l’evoluzione avrebbe potuto imporre ai nostri sensi. Ogni senso è stato sintonizzato nel corso di milioni di anni per rilevare la gamma più saliente di stimoli. Per la vista e l’udito umani, si tratta di luce con lunghezze d’onda comprese tra 400 e 700 nanometri e onde sonore comprese tra 20 e 20,000 hertz. Ma cosa governa il mondo chimico rilevato dai nostri nasi?
"L'unica cosa che è rimasta costante nel corso dell'evoluzione, almeno da moltissimo tempo fa, è il motore metabolico fondamentale all'interno di ogni essere vivente", ha affermato Wiltschko, che ha recentemente lasciato Google Research per diventare un ricercatore. imprenditore residente presso la controllata di venture capital di Alphabet, GV.
Il metabolismo si riferisce all’insieme di reazioni chimiche – tra cui il ciclo di Krebs, la glicolisi, il ciclo dell’urea e molti altri processi – che sono catalizzate da enzimi cellulari e che convertono una molecola in un’altra nelle cellule. Questi percorsi di reazione ormai consolidati definiscono una mappa delle relazioni tra le sostanze chimiche presenti in natura che si diffondono nel nostro naso.
L’ipotesi di Wiltschko era semplice: forse le sostanze chimiche che hanno un odore simile non sono solo correlate chimicamente, ma anche biologicamente.
Per testare l'idea, il suo team aveva bisogno di una mappa delle reazioni metaboliche che si verificano in natura. Fortunatamente, gli scienziati nel campo della metabolomica avevano già costruito un ampio database che delineava queste relazioni chimiche naturali e gli enzimi che le determinano. Con questi dati, i ricercatori hanno potuto scegliere due molecole odorose e calcolare quante reazioni enzimatiche sarebbero necessarie per convertirle l'una nell'altra.
Per fare un confronto, avevano anche bisogno di un modello computerizzato in grado di quantificare l’odore delle varie molecole odorose per gli esseri umani. A tal fine, il team di Wiltschko ha perfezionato un modello di rete neurale chiamato the mappa olfattiva principale basato sui risultati del concorso DREAM 2015. Questa mappa è come una nuvola di 5,000 punti, ciascuno dei quali rappresenta l’odore di una molecola. I punti per le molecole che hanno un odore simile si raggruppano insieme e quelli che hanno un odore molto diverso sono distanti. Poiché il cloud è molto più che 3D – contiene 256 dimensioni di informazioni – solo strumenti informatici avanzati possono misurarsi con la sua struttura.
I ricercatori hanno cercato le relazioni corrispondenti all'interno delle due fonti di dati. Hanno campionato 50 paia di molecole e hanno scoperto che le sostanze chimiche che erano più vicine sulla mappa del metabolismo tendevano ad essere più vicine anche sulla mappa del profumo, anche se avevano strutture molto diverse.
Wiltschko rimase stupito dalla correlazione. Le previsioni non erano ancora perfette, ma erano migliori di quanto qualsiasi modello precedente avesse ottenuto con la sola struttura chimica, ha detto.
“Ciò non doveva accadere affatto”, ha detto. “Due molecole biologicamente simili, come una catalisi enzimatica, si allontanano, potrebbero odorare di rose e uova marce”. Ma non lo fecero. “E questo è pazzesco per me. È bellissimo per me.
I ricercatori hanno anche scoperto che le molecole che generalmente si trovano insieme in natura – ad esempio i diversi componenti chimici di un’arancia – tendono ad avere un odore più simile rispetto alle molecole senza un’associazione naturale.
Chimicamente in sintonia con la natura
I risultati sono “intuitivi ed eleganti”, ha affermato Roberto Datta, neurobiologo della Harvard Medical School ed ex consulente di dottorato di Wiltschko, che non è stato coinvolto nel recente studio. "È come se il sistema olfattivo fosse costruito per rilevare una varietà di coincidenze [chimiche]", ha detto. “Quindi il metabolismo governa le coincidenze possibili”. Ciò indica che esiste un’altra caratteristica oltre alla struttura chimica di una molecola che conta per il nostro naso: il processo metabolico che ha prodotto la molecola nel mondo naturale.
“Il sistema olfattivo è sintonizzato per l’universo che vede, che sono queste strutture di molecole. E il modo in cui vengono prodotte queste molecole è parte di ciò”, ha affermato Meyer. Ha elogiato l'ingegnosità dell'idea di utilizzare il metabolismo per affinare la categorizzazione dei profumi. Anche se la mappa basata sul metabolismo non migliora drasticamente i modelli strutturali, poiché l’origine metabolica di una molecola è già strettamente correlata alla sua struttura, “porta alcune informazioni extra”, ha detto.
La prossima frontiera della neuroscienza olfattiva riguarderà gli odori di miscele anziché di singole molecole, prevede Meyer. Nella vita reale, molto raramente inaliamo una sola sostanza chimica alla volta; pensa alle centinaia che si diffondono dalla tua tazza di caffè. Al momento, gli scienziati non dispongono di dati sufficienti sulle miscele di odori per costruire un modello come quello per le sostanze chimiche pure utilizzato nel recente studio. Per comprendere veramente il nostro senso dell’olfatto, dovremo esaminare come costellazioni di sostanze chimiche interagiscono per formare odori complessi come quelli nelle bottiglie di profumo di Wiltschko.
Questo progetto ha già cambiato il modo in cui Wiltschko vede la sua passione di una vita. Quando provi un odore, "stiamo percependo parti di un altro essere vivente", ha detto. “Penso solo che sia davvero bellissimo. Mi sento più connesso alla vita in questo modo.
Nota del redattore: Datta, un ricercatore della Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain e SFARI, riceve finanziamenti dalla Simons Foundation, che sponsorizza anche questa rivista editorialmente indipendente.
