Alex Wiltschko zaczął kolekcjonować perfumy jako nastolatek. Jego pierwszą butelką była Azzaro Pour Homme, ponadczasowa woda kolońska, którą zauważył na półce w domu towarowym TJ Maxx. Rozpoznał imię z Perfumy: Przewodnik, książka, której poetyckie opisy zapachu rozbudziły jego obsesję. Oczarowany, zaoszczędził kieszonkowe, aby dodać do swojej kolekcji. „Skończyło się na tym, że poszedłem całkowicie do króliczej nory” – powiedział.
Ostatnio jako neurolog węchowy dla Google Research Zespół mózguWiltschko wykorzystał uczenie maszynowe, aby przeanalizować nasz najstarszy i najmniej rozumiany sens. Czasami spoglądał niemal tęsknie na swoich kolegów badających inne zmysły. „Mają te piękne struktury intelektualne, te katedry wiedzy”, powiedział, które wyjaśniają świat wizualny i słuchowy, zawstydzając to, co wiemy o węchu.
Jednak ostatnie prace Wiltschko i jego współpracowników pomagają to zmienić. W papier po raz pierwszy opublikowana na serwerze preprintów biorxiv.org w lipcu, opisała wykorzystanie uczenia maszynowego do stawienia czoła długotrwałemu wyzwaniu w nauce węchowej. Ich odkrycia znacznie poprawiły zdolność naukowców do obliczania zapachu cząsteczki na podstawie jej struktury. Co więcej, sposób, w jaki poprawili te obliczenia, dał nowy wgląd w to, jak działa nasz zmysł węchu, ujawniając ukryty porządek w tym, jak nasze postrzeganie zapachów odpowiada chemii żywego świata.
Kiedy wdychasz powiew porannej kawy, 800 różnych rodzajów cząsteczek dociera do Twoich receptorów węchowych. Ze złożoności tego bogatego chemicznego portretu nasze mózgi syntetyzują ogólną percepcję: kawa. Naukowcy odkryli jednak, że wyjątkowo trudno jest przewidzieć, jak pachnie nam, ludziom, nawet pojedyncza cząsteczka. Nasze nosy zawierają 400 różnych receptorów do wykrywania chemicznego składu otaczającego nas świata i dopiero zaczynamy zgłębiać, ile z tych receptorów może wchodzić w interakcje z daną cząsteczką. Ale nawet mając tę wiedzę, nie jest jasne, w jaki sposób kombinacje zapachów przekładają się na nasze postrzeganie zapachów jako słodkich, piżmowych, obrzydliwych i innych.
„Nie było jasnego modelu, który dawałby przewidywania na temat tego, jak pachnie większość cząsteczek” – powiedział Pabla Meyera, który zajmuje się analizą biomedyczną i modelowaniem węchu w IBM Research i nie był zaangażowany w ostatnie badanie. Meyer postanowił, że IBM skupi się na kultowym problemie od struktury do zapachu Wyzwanie MARZENIA 2015, konkurs komputerowego crowdsourcingu. Zespoły rywalizowały, aby zbudować modele, które mogłyby przewidzieć zapach cząsteczki na podstawie jej struktury.
Ale nawet najlepsze modelki nie potrafiły wszystkiego wyjaśnić. W danych pojawiły się nieznośne, nieregularne przypadki, które oparły się przewidywaniom. Czasami drobne poprawki w strukturze chemicznej cząsteczki dawały zupełnie nowy zapach. Innym razem poważne zmiany strukturalne ledwo zmieniły zapach.
Organizacja metaboliczna dla zapachów
Aby spróbować wyjaśnić te nieregularne przypadki, Wiltschko i jego zespół rozważyli wymagania, jakie ewolucja mogła nałożyć na nasze zmysły. Każdy zmysł był dostrajany przez miliony lat, aby wykryć najistotniejszy zakres bodźców. Dla ludzkiego wzroku i słuchu jest to światło o długości fali od 400 do 700 nanometrów i fale dźwiękowe od 20 do 20,000 XNUMX Hz. Ale co rządzi światem chemicznym wykrywanym przez nasze nosy?
„Jedyną rzeczą, która nie zmieniła się w czasie ewolucji, przynajmniej od bardzo dawna, jest główny silnik metaboliczny wewnątrz każdej żywej istoty” – powiedział Wiltschko, który niedawno opuścił Google Research, aby zostać przedsiębiorca-rezydent w spółce zależnej Alphabet typu venture capital, GV.
Metabolizm odnosi się do zestawu reakcji chemicznych – w tym cyklu Krebsa, glikolizy, cyklu mocznikowego i wielu innych procesów – które są katalizowane przez enzymy komórkowe i które przekształcają jedną cząsteczkę w drugą w komórkach. Te dobrze zużyte ścieżki reakcji definiują mapę zależności między naturalnie występującymi substancjami chemicznymi, które unoszą się do naszego nosa.
Hipoteza Wiltschko była prosta: być może chemikalia o podobnym zapachu są nie tylko chemicznie spokrewnione, ale także biologicznie spokrewnione.
Aby przetestować ten pomysł, jego zespół potrzebował mapy reakcji metabolicznych zachodzących w przyrodzie. Na szczęście naukowcy w dziedzinie metabolomiki zbudowali już dużą bazę danych, która przedstawia te naturalne związki chemiczne i enzymy, które je wytrącają. Dzięki tym danym naukowcy mogli wybrać dwie cząsteczki zapachowe i obliczyć, ile reakcji enzymatycznych wymagałoby przekształcenia jednej w drugą.
Dla porównania potrzebowali również modelu komputerowego, który mógłby ilościowo określić, jak różne molekuły zapachowe pachną ludziom. W tym celu zespół Wiltschko udoskonalał model sieci neuronowej o nazwie główna mapa zapachowa oparty na wynikach konkursu DREAM 2015. Ta mapa jest jak chmura 5,000 punktów, z których każdy reprezentuje zapach jednej cząsteczki. Punkty dla cząsteczek, które pachną podobnie, skupiają się razem, a te, które pachną bardzo różnie, są daleko od siebie. Ponieważ chmura to znacznie więcej niż 3D — zawiera 256 wymiarów informacji — tylko zaawansowane narzędzia obliczeniowe mogą poradzić sobie z jej strukturą.
Badacze szukali odpowiednich relacji w dwóch źródłach danych. Pobrali próbki 50 par cząsteczek i odkryli, że substancje chemiczne, które były bliżej na mapie metabolizmu, również miały tendencję do znajdowania się bliżej mapy zapachowej, nawet jeśli miały bardzo różne struktury.
Wiltschko był zdumiony korelacją. Przewidywania wciąż nie były doskonałe, ale były lepsze niż jakikolwiek poprzedni model, który osiągnął z samą strukturą chemiczną, powiedział.
„To wcale nie musiało się zdarzyć” – powiedział. „Dwie cząsteczki, które są biologicznie podobne, jak kataliza jednego enzymu, odchodzą, mogą pachnieć jak róże i zgniłe jajka”. Ale nie zrobili tego. „A to jest dla mnie szalone. To dla mnie piękne”.
Naukowcy odkryli również, że cząsteczki, które generalnie występują razem w przyrodzie – na przykład różne składniki chemiczne pomarańczy – mają tendencję do zapachu bardziej podobnego niż cząsteczki bez naturalnego związku.
Chemicznie dostosowane do natury
Odkrycia są „intuicyjne i eleganckie”, powiedział Roberta Datty, neurobiolog z Harvard Medical School i były doradca doktorski Wiltschko, który nie był zaangażowany w ostatnie badania. „To tak, jakby system węchowy został zbudowany do wykrywania różnych [chemicznych] zbiegów okoliczności” – powiedział. „Tak więc metabolizm rządzi możliwymi zbiegami okoliczności”. Wskazuje to, że oprócz struktury chemicznej cząsteczki, która ma znaczenie dla naszych nosów, jest jeszcze inna cecha — proces metaboliczny, który wytworzył cząsteczkę w naturalnym świecie.
„Układ węchowy jest dostrojony do widzianego wszechświata, który jest strukturami molekuł. A sposób, w jaki powstają te molekuły, jest tego częścią” – powiedział Meyer. Pochwalił spryt pomysłu wykorzystania metabolizmu do udoskonalenia kategoryzacji zapachów. Chociaż mapa oparta na metabolizmie nie poprawia się drastycznie w modelach strukturalnych, ponieważ pochodzenie metaboliczne cząsteczki jest już ściśle związane z jej strukturą, „wnosi pewne dodatkowe informacje” – powiedział.
Meyer przewiduje, że następna granica neuronauki węchowej będzie obejmować zapachy mieszanin zamiast pojedynczych cząsteczek. W prawdziwym życiu bardzo rzadko wdychamy tylko jedną substancję chemiczną na raz; pomyśl o setkach unoszących się z twojego kubka z kawą. W tej chwili naukowcy nie mają wystarczających danych na temat mieszanin substancji zapachowych, aby zbudować model, taki jak ten dla czystych chemikaliów użyty w niedawnym badaniu. Aby naprawdę zrozumieć nasz zmysł węchu, musimy zbadać, w jaki sposób konstelacje chemikaliów wchodzą w interakcje, tworząc złożone zapachy, takie jak te w butelkach perfum Wiltschko.
Ten projekt już zmienił sposób myślenia Wiltschko o swojej życiowej pasji. Kiedy doświadczasz zapachu, „dostrzegasz części innej żywej istoty” – powiedział. „Po prostu myślę, że to naprawdę piękne. W ten sposób czuję się bardziej związany z życiem”.
Od redakcji: Datta, badacz z Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain i SFARI, otrzymuje fundusze od Simons Foundation, która jest również sponsorem tego niezależnego magazynu.
