Alex Wiltschko는 십대 때 향수 수집을 시작했습니다. 그의 첫 번째 병은 TJ Maxx 백화점 선반에서 발견한 시대를 초월한 향수인 Azzaro Pour Homme였습니다. 그는 에서 그 이름을 알아보았다. 향수: 가이드, 향기에 대한 시적 묘사가 그의 집착을 촉발시킨 책. 매혹되어 그는 수집품에 추가하기 위해 용돈을 저축했습니다. 그는 “나는 결국 토끼굴로 완전히 떨어졌다”고 말했다.
최근에는 Google Research의 후각 신경과학자로서 두뇌팀, Wiltschko는 기계 학습을 사용하여 가장 오래되고 가장 이해되지 않는 감각을 해부했습니다. 때때로 그는 다른 감각을 연구하는 동료들을 거의 그리운 눈으로 바라보았다. “그들은 이 아름다운 지적 구조, 지식의 대성당을 가지고 있습니다.
그러나 Wiltschko와 그의 동료들의 최근 연구는 그것을 바꾸는 데 도움이 되고 있습니다. ~ 안에 종이 XNUMX월에 biorxiv.org 사전 인쇄 서버에 처음 게시된 그들은 기계 학습을 사용하여 후각 과학의 오랜 과제를 해결하는 방법을 설명했습니다. 그들의 발견은 구조에서 분자의 냄새를 계산하는 연구원의 능력을 크게 향상시켰습니다. 더욱이 그들이 이러한 계산을 개선한 방식은 우리의 후각이 어떻게 작동하는지에 대한 새로운 통찰력을 제공하여 후각에 대한 우리의 인식이 살아있는 세계의 화학과 어떻게 일치하는지에 대한 숨겨진 질서를 드러냈습니다.
모닝 커피의 냄새를 들이마시면 800가지 유형의 분자가 후각 수용체로 이동합니다. 이 풍부한 화학적 초상화의 복잡성에서 우리의 두뇌는 전반적인 인식, 즉 커피를 합성합니다. 그러나 연구원들은 단일 분자조차도 우리 인간에게 어떤 냄새가 날지 예측하는 것이 매우 어렵다는 것을 발견했습니다. 우리의 코는 우리 주변 세계의 화학적 구성을 감지하기 위한 400개의 서로 다른 수용체를 보유하고 있으며, 우리는 이러한 수용체 중 얼마나 많은 것이 주어진 분자와 상호 작용할 수 있는지를 이제 겨우 이해하기 시작했습니다. 그러나 그 지식이 있음에도 불구하고 냄새 입력의 조합이 향기에 대한 우리의 인식에 어떻게 매핑되는지는 분명하지 않습니다.
"대부분의 분자에서 어떤 냄새가 나는지 예측할 수 있는 명확한 모델이 없었습니다."라고 말했습니다. 파블로 마이어, IBM Research에서 생물 의학 분석과 후각 모델링을 연구하고 최근 연구에는 참여하지 않았습니다. Meyer는 상징적인 구조에서 냄새까지의 문제를 IBM의 초점으로 삼기로 결정했습니다. 2015 드림 챌린지, 컴퓨팅 크라우드소싱 대회. 팀은 구조에서 분자의 냄새를 예측할 수 있는 모델을 구축하기 위해 경쟁했습니다.
그러나 최고의 모델조차도 모든 것을 설명할 수는 없었습니다. 데이터 전체에 걸쳐 예측에 저항하는 성가시고 불규칙한 사례가 있었습니다. 때로는 분자의 화학 구조를 약간만 수정해도 완전히 새로운 냄새가 납니다. 다른 경우에는 주요 구조적 변화로 인해 냄새가 거의 변하지 않았습니다.
냄새에 대한 대사 조직
이러한 불규칙한 경우를 설명하기 위해 Wiltschko와 그의 팀은 진화가 우리의 감각에 부과했을 수 있는 요구 사항을 고려했습니다. 각 감각은 자극의 가장 두드러진 범위를 감지하기 위해 수백만 년에 걸쳐 조정되었습니다. 인간의 시각과 청각의 경우 파장이 400~700나노미터이고 음파가 20~20,000헤르츠입니다. 그러나 우리의 코로 감지되는 화학 세계를 지배하는 것은 무엇입니까?
"최소한 아주 오래전부터 진화의 시간 동안 변하지 않은 한 가지는 모든 생명체 내부의 핵심 대사 엔진입니다."라고 최근 Google Research를 떠나 입주기업가 Alphabet의 벤처 캐피탈 자회사인 GV에서
대사는 세포 효소에 의해 촉매되고 세포에서 한 분자를 다른 분자로 전환시키는 일련의 화학 반응(크렙스 회로, 해당 분해, 요소 회로 및 기타 여러 과정을 포함)을 말합니다. 이러한 잘 마모된 반응 경로는 우리의 코로 흘러들어오는 자연 발생 화학 물질 간의 관계에 대한 지도를 정의합니다.
Wiltschko의 가설은 간단했습니다. 냄새가 비슷한 화학 물질은 화학적으로만 관련이 있을 뿐만 아니라 생물학적으로도 관련이 있습니다.
아이디어를 테스트하기 위해 그의 팀은 자연에서 발생하는 대사 반응의 지도가 필요했습니다. 다행히 대사체학 분야의 과학자들은 이러한 자연적 화학적 관계와 이를 촉진하는 효소를 설명하는 대규모 데이터베이스를 이미 구축했습니다. 이 데이터를 사용하여 연구원들은 두 개의 냄새 분자를 선택하고 하나를 다른 것으로 전환하는 데 필요한 효소 반응 수를 계산할 수 있습니다.
비교를 위해 그들은 또한 다양한 냄새 분자가 인간에게 냄새를 맡는 방식을 정량화할 수 있는 컴퓨터 모델이 필요했습니다. 이를 위해 Wiltschko의 팀은 주요 냄새 지도 2015 DREAM 대회의 결과를 기반으로 합니다. 이 지도는 각각 한 분자의 향기를 나타내는 5,000개의 점으로 이루어진 구름과 같습니다. 냄새가 비슷한 분자의 점은 함께 모여 있고 냄새가 매우 다른 분자는 멀리 떨어져 있습니다. 클라우드는 3D가 아니라 256차원의 정보를 담고 있기 때문에 고급 컴퓨팅 도구만이 그 구조를 다룰 수 있습니다.
연구자들은 두 데이터 소스 내에서 상응하는 관계를 찾았습니다. 그들은 50쌍의 분자를 샘플링하여 신진대사 지도에서 더 가까운 화학 물질이 구조가 매우 다른 경우에도 냄새 지도에서 더 가까운 경향이 있음을 발견했습니다.
Wiltschko는 상관 관계에 놀랐습니다. 예측은 여전히 완벽하지 않지만 화학 구조만으로 달성한 이전 모델보다 더 좋았다고 그는 말했습니다.
"그 일은 전혀 일어날 필요가 없었습니다."라고 그는 말했습니다. "하나의 효소 촉매 작용처럼 생물학적으로 유사한 두 분자는 장미와 썩은 계란 냄새를 맡을 수 있습니다." 하지만 그들은 하지 않았습니다. “그리고 그것은 나에게 미쳤습니다. 내겐 아름다워.”
연구원들은 또한 자연에서 일반적으로 함께 발생하는 분자(예: 오렌지의 다른 화학 성분)가 자연적인 연관성이 없는 분자보다 냄새가 더 유사한 경향이 있음을 발견했습니다.
화학적으로 자연에 적응
연구 결과는 "직관적이고 우아하다"고 말했다. 로버트 다타, Harvard Medical School의 신경생물학자이자 최근 연구에 참여하지 않은 Wiltschko의 전 박사 학위 고문. "후각 시스템은 다양한 [화학적] 우연의 일치를 감지하도록 만들어진 것과 같습니다."라고 그는 말했습니다. "그래서 신진대사는 가능한 우연의 일치를 지배합니다." 이것은 우리 코에 중요한 분자의 화학 구조 외에 자연계에서 분자를 생성하는 대사 과정이라는 또 다른 특징이 있음을 나타냅니다.
“후각 시스템은 보이는 우주에 맞게 조정되어 있으며, 이는 분자 구조입니다. 그리고 이러한 분자가 어떻게 만들어지는가도 그 일부입니다.”라고 Meyer가 말했습니다. 그는 신진대사를 사용하여 냄새의 분류를 다듬는 아이디어의 영리함을 칭찬했습니다. 대사 기반 지도는 구조 모델에서 크게 개선되지는 않지만 분자의 대사 기원은 이미 구조와 밀접하게 관련되어 있기 때문에 "몇 가지 추가 정보를 제공합니다"라고 그는 말했습니다.
후각 신경 과학의 다음 영역은 개별 분자 대신 혼합물의 냄새를 포함할 것이라고 Meyer는 예측합니다. 실생활에서 우리는 한 번에 하나의 화학 물질만 흡입하는 경우는 거의 없습니다. 당신의 커피잔에서 떠도는 수백 가지를 생각해 보십시오. 현재 과학자들은 최근 연구에서 사용된 순수 화학 물질에 대한 모델과 같은 모델을 구축하기 위해 냄새 혼합물에 대한 데이터가 충분하지 않습니다. 우리의 후각을 진정으로 이해하려면 화학 물질의 별자리가 어떻게 상호 작용하여 Wiltschko의 향수병에서와 같은 복잡한 냄새를 형성하는지 조사해야 합니다.
이 프로젝트는 이미 Wiltschko가 평생에 걸친 열정에 대해 생각하는 방식을 바꾸었습니다. 그는 냄새를 맡을 때 “다른 생명체의 일부를 지각하는 것”이라고 말했습니다. “그냥 정말 아름답다고 생각해요. 그런 식으로 삶과 더 연결되어 있다고 느낍니다.”
편집자 주: Simons Collaboration on Plasticity and Aging Brain and SFARI의 조사관인 Datta는 이 독립적인 편집 잡지를 후원하는 Simons Foundation으로부터 자금을 지원받습니다.
