Alex Wiltschko começou a colecionar perfumes na adolescência. Seu primeiro frasco foi Azzaro Pour Homme, uma colônia atemporal que ele viu na prateleira de uma loja de departamentos TJ Maxx. Ele reconheceu o nome de Perfumes: O Guia, um livro cujas descrições poéticas do aroma deram início à sua obsessão. Encantado, ele economizou sua mesada para aumentar sua coleção. “Acabei indo absolutamente pela toca do coelho”, disse ele.
Mais recentemente, como neurocientista olfativa do Google Research's Equipe do cérebro, Wiltschko usou o aprendizado de máquina para dissecar nosso sentido mais antigo e menos compreendido. Às vezes ele olhava quase com saudade para seus colegas estudando os outros sentidos. “Eles têm essas belas estruturas intelectuais, essas catedrais do conhecimento”, disse ele, que explicam o mundo visual e auditivo, envergonhando o que sabemos sobre olfato.
Trabalhos recentes de Wiltschko e seus colegas, no entanto, estão ajudando a mudar isso. Dentro um papel publicado pela primeira vez no servidor de pré-impressão biorxiv.org em julho, eles descreveram o uso de aprendizado de máquina para enfrentar um desafio de longa data na ciência olfativa. Suas descobertas melhoraram significativamente a capacidade dos pesquisadores de calcular o cheiro de uma molécula a partir de sua estrutura. Além disso, a maneira como eles melhoraram esses cálculos deu novos insights sobre como nosso olfato funciona, revelando uma ordem oculta em como nossas percepções de cheiros correspondem à química do mundo vivo.
Quando você inala um cheiro de seu café da manhã, 800 tipos diferentes de moléculas viajam para seus receptores olfativos. A partir da complexidade desse rico retrato químico, nossos cérebros sintetizam uma percepção geral: o café. Os pesquisadores descobriram que é excepcionalmente difícil, no entanto, prever como será o cheiro de uma única molécula para nós, humanos. Nossos narizes hospedam 400 receptores diferentes para detectar a composição química do mundo ao nosso redor, e estamos apenas começando a entender quantos desses receptores podem interagir com uma determinada molécula. Mas mesmo com esse conhecimento, não está claro como as combinações de entradas de odor mapeiam nossas percepções de fragrâncias como doces, almiscaradas, repugnantes e muito mais.
“Não havia um modelo claro que lhe desse previsões sobre o cheiro da maioria das moléculas”, disse Pablo Meyer, que estuda análises biomédicas e modelagem do olfato na IBM Research e não esteve envolvido no estudo recente. Meyer decidiu fazer do problema icônico da estrutura para o aroma o foco do projeto da IBM Desafio SONHO 2015, uma competição de crowdsourcing de computação. As equipes competiram para construir modelos que pudessem prever o odor de uma molécula a partir de sua estrutura.
Mas mesmo os melhores modelos não conseguiam explicar tudo. Salpicados por todos os dados estavam casos irritantes e irregulares que resistiam à previsão. Às vezes, pequenos ajustes na estrutura química de uma molécula produziam um odor totalmente novo. Outras vezes, grandes mudanças estruturais mal alteravam o odor.
Uma organização metabólica para cheiros
Para tentar explicar esses casos irregulares, Wiltschko e sua equipe consideraram os requisitos que a evolução pode ter imposto aos nossos sentidos. Cada sentido foi ajustado ao longo de milhões de anos para detectar a gama mais saliente de estímulos. Para a visão e audição humana, isso é luz de comprimentos de onda de 400-700 nanômetros e ondas sonoras entre 20 e 20,000 hertz. Mas o que governa o mundo químico detectado por nossos narizes?
“A única coisa que tem sido constante ao longo do tempo evolutivo, pelo menos desde muito tempo atrás, é o motor metabólico central dentro de todos os seres vivos”, disse Wiltschko, que recentemente deixou o Google Research para se tornar um empreendedor residente na subsidiária de capital de risco da Alphabet, GV.
Metabolismo refere-se aos conjuntos de reações químicas – incluindo o ciclo de Krebs, a glicólise, o ciclo da ureia e muitos outros processos – que são catalisados por enzimas celulares e que convertem uma molécula em outra nas células. Essas vias de reação bem usadas definem um mapa de relações entre os produtos químicos naturais que flutuam em nossos narizes.
A hipótese de Wiltschko era simples: talvez os produtos químicos com cheiro semelhante não sejam apenas quimicamente relacionados, mas também biologicamente relacionados.
Para testar a ideia, sua equipe precisava de um mapa das reações metabólicas que ocorrem na natureza. Felizmente, cientistas no campo da metabolômica já haviam construído um grande banco de dados que delineava essas relações químicas naturais e as enzimas que as precipitam. Com esses dados, os pesquisadores puderam escolher duas moléculas odoríferas e calcular quantas reações enzimáticas seriam necessárias para converter uma na outra.
Para comparação, eles também precisavam de um modelo de computador que pudesse quantificar como várias moléculas odoríferas cheiram aos humanos. Para isso, a equipe de Wiltschko vinha refinando um modelo de rede neural chamado mapa de odor principal que se baseou nos resultados do concurso DREAM 2015. Este mapa é como uma nuvem de 5,000 pontos, cada um representando o cheiro de uma molécula. Os pontos para moléculas que cheiram semelhantes agrupam-se e as que cheiram muito diferentes estão distantes. Como a nuvem é muito mais do que 3D – ela contém 256 dimensões de informação – apenas ferramentas de computação avançadas podem lidar com sua estrutura.
Os pesquisadores procuraram relacionamentos correspondentes nas duas fontes de dados. Eles amostraram 50 pares de moléculas e descobriram que os produtos químicos que estavam mais próximos no mapa do metabolismo também tendiam a estar mais próximos no mapa do cheiro, mesmo que tivessem estruturas muito diferentes.
Wiltschko ficou surpreso com a correlação. As previsões ainda não eram perfeitas, mas eram melhores do que qualquer modelo anterior havia alcançado apenas com a estrutura química, disse ele.
“Isso não precisava acontecer”, disse ele. “Duas moléculas que são biologicamente semelhantes, como um passo de catálise enzimática, podem cheirar a rosas e ovos podres”. Mas eles não o fizeram. “E isso é uma loucura para mim. É lindo para mim.”
Os pesquisadores também descobriram que moléculas que geralmente ocorrem juntas na natureza – por exemplo, os diferentes componentes químicos de uma laranja – tendem a ter um cheiro mais semelhante do que moléculas sem uma associação natural.
Quimicamente em sintonia com a natureza
As descobertas são “intuitivas e elegantes”, disse Roberto Datta, um neurobiólogo da Harvard Medical School e ex-orientador de doutorado de Wiltschko, que não esteve envolvido no estudo recente. “É como se o sistema olfativo fosse construído para detectar uma variedade de coincidências [químicas]”, disse ele. “Então o metabolismo governa as coincidências que são possíveis.” Isso indica que há outra característica além da estrutura química de uma molécula que importa para nossos narizes – o processo metabólico que produziu a molécula no mundo natural.
“O sistema olfativo está sintonizado com o universo que vê, que são essas estruturas de moléculas. E como essas moléculas são feitas faz parte disso”, disse Meyer. Ele elogiou a esperteza da ideia de usar o metabolismo para refinar a categorização de aromas. Embora o mapa baseado em metabolismo não melhore drasticamente em modelos estruturais, uma vez que a origem metabólica de uma molécula já está intimamente relacionada à sua estrutura, “ele traz algumas informações extras”, disse ele.
A próxima fronteira da neurociência olfativa envolverá os odores de misturas em vez de moléculas individuais, prevê Meyer. Na vida real, raramente inalamos apenas um produto químico de cada vez; pense nas centenas flutuando de sua caneca de café. No momento, os cientistas não têm dados suficientes sobre misturas odoríferas para construir um modelo como o de produtos químicos puros usados no estudo recente. Para realmente entender nosso olfato, precisaremos examinar como as constelações de substâncias químicas interagem para formar odores complexos como os dos frascos de perfume de Wiltschko.
Este projeto já mudou a forma como Wiltschko pensa sobre sua paixão ao longo da vida. Quando você sente um cheiro, “você está percebendo partes de outro ser vivo”, disse ele. “Eu só acho isso muito bonito. Eu me sinto mais conectado com a vida dessa maneira.”
Nota do editor: Datta, pesquisador da Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain e SFARI, recebe financiamento da Simons Foundation, que também patrocina esta revista editorialmente independente.
