אלכס ווילצ'קו החל לאסוף בשמים כנער. הבקבוק הראשון שלו היה Azzaro Pour Homme, קלן נצחי שזיהה על המדף ב-T.J. חנות כלבו Maxx. הוא זיהה את השם מ בשמים: המדריך, ספר שתיאורי הארומה הפיוטיים שלו הזניקו את האובססיה שלו. מוקסם, הוא חסך את הקצבה שלו כדי להוסיף לאוסף שלו. "בסופו של דבר ירדתי לחלוטין לחור הארנב," אמר.
לאחרונה, כמדען מוח חושים עבור Google Research's צוות מוח, Wiltschko השתמש בלמידת מכונה כדי לנתח את החוש העתיק והפחות מובן שלנו. לפעמים הוא הביט כמעט בערגה בעמיתיו החוקרים את החושים האחרים. "יש להם את המבנים האינטלקטואליים היפים האלה, הקתדרלות האלה של הידע," הוא אמר, שמסבירים את העולם החזותי והשמיעתי, ומביישים את מה שאנחנו יודעים על ריח.
העבודה האחרונה של Wiltschko ועמיתיו, לעומת זאת, עוזרת לשנות זאת. ב נייר פורסם לראשונה בשרת ה-preprint biorxiv.org ביולי, הם תיארו את השימוש בלמידת מכונה כדי להתמודד עם אתגר ארוך שנים במדעי הריח. הממצאים שלהם שיפרו משמעותית את יכולתם של החוקרים לחשב ריח של מולקולה מהמבנה שלה. יתרה מכך, האופן שבו הם שיפרו את החישובים הללו נתן תובנות חדשות לגבי אופן פעולת חוש הריח שלנו, וחשף סדר נסתר כיצד תפיסות הריחות שלנו תואמות את הכימיה של העולם החי.
כאשר אתה שואף נימה מהקפה של הבוקר שלך, 800 סוגים שונים של מולקולות עוברות אל קולטני הריח שלך. מהמורכבות של הדיוקן הכימי העשיר הזה, המוח שלנו מסנתז תפיסה כוללת: קפה. עם זאת, חוקרים מצאו שקשה במיוחד לחזות איך אפילו מולקולה אחת תריח לנו, בני האדם. האף שלנו מארח 400 קולטנים שונים לזיהוי ההרכב הכימי של העולם שסביבנו, ואנחנו רק מתחילים להבין כמה מאותם קולטנים יכולים לקיים אינטראקציה עם מולקולה נתונה. אבל אפילו עם הידע הזה, לא ברור איך שילובים של כניסות ריחות ממפות את התפיסה שלנו לגבי ניחוחות כמו מתוקים, מושקים, מגעילים ועוד.
"לא היה מודל ברור שייתן לך תחזיות לאיזה ריח של רוב המולקולות", אמר פבלו מאייר, שחוקר אנליטיקה ביו-רפואית ומודלים של ריח ב-IBM Research ולא היה מעורב במחקר האחרון. מאייר החליטה להפוך את בעיית המבנה לריח האייקונית למוקד של IBM אתגר DREAM 2015, תחרות מיקור המונים מחשוב. צוותים התחרו כדי לבנות מודלים שיכולים לחזות ריח של מולקולה מהמבנה שלה.
אבל אפילו הדוגמניות הטובות ביותר לא יכלו להסביר הכל. לאורך כל הנתונים היו מקרים מטרידים, לא סדירים שהתנגדו לחיזוי. לפעמים, שינויים קטנים במבנה הכימי של מולקולה הניבו ריח חדש לגמרי. פעמים אחרות, שינויים מבניים גדולים בקושי שינו את הריח.
ארגון מטבולי לריחות
כדי לנסות להסביר את המקרים הבלתי סדירים הללו, וילצ'קו וצוותו שקלו את הדרישות שהאבולוציה עשויה להטיל על החושים שלנו. כל חוש כוונן במשך מיליוני שנים כדי לזהות את הטווח הבולט ביותר של גירויים. עבור ראייה ושמיעה אנושיים, זהו אור באורכי גל של 400-700 ננומטר וגלי קול בין 20 ל-20,000 הרץ. אבל מה שולט בעולם הכימי שמתגלה על ידי האף שלנו?
"הדבר היחיד שהיה קבוע לאורך זמן אבולוציוני, לפחות מלפני זמן רב מאוד, הוא המנוע המטבולי הליבה של כל יצור חי", אמר וילצ'קו, שעזב לאחרונה את Google Research כדי להיות יזם במגורים בחברת הבת ההון סיכון של אלפבית, GV.
מטבוליזם מתייחס לקבוצות של תגובות כימיות - כולל מחזור קרבס, גליקוליזה, מחזור אוריאה ותהליכים רבים אחרים - המוזרזים על ידי אנזימים תאיים והופכים מולקולה אחת לאחרת בתאים. מסלולי התגובה השחוקים הללו מגדירים מפה של מערכות יחסים בין הכימיקלים המופיעים באופן טבעי שנופפים לאף שלנו.
ההשערה של וילצ'קו הייתה פשוטה: אולי כימיקלים שמריחים דומה אינם קשורים רק מבחינה כימית, אלא גם קשורים ביולוגית.
כדי לבדוק את הרעיון, הצוות שלו נזקק למפה של התגובות המטבוליות המתרחשות בטבע. למרבה המזל, מדענים בתחום המטבולומיקה כבר בנו מסד נתונים גדול שהתווה את הקשרים הכימיים הטבעיים הללו ואת האנזימים המזרזים אותם. בעזרת הנתונים הללו, החוקרים יכלו לבחור שתי מולקולות ריחניות ולחשב כמה תגובות אנזימטיות יידרשו כדי להמיר אחת לאחרת.
לשם השוואה, הם גם היו זקוקים למודל ממוחשב שיוכל לכמת את הריח של מולקולות ריח שונות לבני אדם. לשם כך, הצוות של Wiltschko חידד מודל רשת עצבית בשם מפת ריחות ראשית שהתבססה על הממצאים של תחרות DREAM 2015. המפה הזו היא כמו ענן של 5,000 נקודות, כל אחת מייצגת ריח של מולקולה אחת. הנקודות של מולקולות שמריחות ריח דומה מתקבצות יחד, וכאלה שמריחות שונה מאוד נמצאות רחוקות זו מזו. מכיוון שהענן הוא הרבה יותר מתלת מימד - הוא מכיל 3 ממדי מידע - רק כלי מחשוב מתקדמים יכולים להתמודד עם המבנה שלו.
החוקרים חיפשו קשרים תואמים בתוך שני מקורות הנתונים. הם דגמו 50 זוגות של מולקולות ומצאו כי כימיקלים שהיו קרובים יותר במפת חילוף החומרים נטו להיות קרובים יותר גם במפת הריח, גם אם היו להם מבנים שונים מאוד.
וילצ'קו נדהם מהמתאם. התחזיות עדיין לא היו מושלמות, אבל הן היו טובות יותר מכל מודל קודם שהשיג עם מבנה כימי בלבד, אמר.
"זה לא היה צריך לקרות בכלל", אמר. "שתי מולקולות דומות ביולוגית, כמו קטליזה של אנזים אחד מתרחקות, הן עלולות להריח כמו ורדים וביצים רקובות." אבל הם לא עשו זאת. "וזה מטורף בעיני. זה יפה בעיני."
החוקרים מצאו גם שמולקולות המופיעות בדרך כלל יחד בטבע - למשל, המרכיבים הכימיים השונים של תפוז - נוטות להריח דומה יותר ממולקולות ללא קשר טבעי.
מותאם כימית לטבע
הממצאים הם "אינטואיטיביים ואלגנטיים", אמר רוברט דאטה, נוירוביולוג בבית הספר לרפואה בהרווארד ויועצת הדוקטורט לשעבר של ווילצ'קו, שלא היה מעורב במחקר האחרון. "זה כמו שמערכת הריח בנויה לזהות מגוון של צירופי מקרים [כימיים]", אמר. "אז חילוף החומרים שולט בצירופי המקרים האפשריים." זה מצביע על כך שיש תכונה נוספת מלבד המבנה הכימי של מולקולה שחשובה לאף שלנו - התהליך המטבולי שיצר את המולקולה בעולם הטבע.
"מערכת הריח מכוונת ליקום שהיא רואה, שהם מבנים אלה של מולקולות. והאופן שבו המולקולות האלה נוצרות הוא חלק מזה", אמר מאייר. הוא שיבח את חכמת הרעיון של שימוש בחילוף חומרים כדי לחדד את סיווג הריחות. למרות שהמפה המבוססת על חילוף החומרים אינה משתפרת באופן דרסטי במודלים מבניים, מכיוון שמקורה המטבולי של מולקולה כבר קשור קשר הדוק למבנה שלה, "היא מביאה קצת מידע נוסף", אמר.
הגבול הבא של מדעי המוח של חוש הריח יכלול ריחות של תערובות במקום מולקולות בודדות, צופה מאייר. בחיים האמיתיים, לעתים רחוקות מאוד אנו שואפים רק כימיקל אחד בכל פעם; תחשוב על מאות הנופים מספל הקפה שלך. נכון לעכשיו, למדענים אין מספיק נתונים על תערובות ריחניות כדי לבנות מודל כמו זה של כימיקלים טהורים המשמשים במחקר האחרון. כדי להבין באמת את חוש הריח שלנו, נצטרך לבחון כיצד קבוצות כוכבים של כימיקלים מתקשרות ליצירת ריחות מורכבים כמו אלה שבבקבוקי הבושם של Wiltschko.
הפרויקט הזה כבר שינה את האופן שבו וילצ'קו חושב על התשוקה שלו לכל החיים. כאשר אתה חווה ריח, "אתה קולט חלקים של יצור חי אחר," הוא אמר. "אני פשוט חושב שזה ממש יפה. אני מרגיש יותר מחובר לחיים ככה".
הערת העורך: דאטה, חוקרת מ-Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain ו-SFARI, מקבלת מימון מקרן Simons, שגם נותנת חסות למגזין עצמאי זה מבחינה עריכה.
