Alex Wiltschko a început să colecteze parfumuri în adolescență. Prima sa sticlă a fost Azzaro Pour Homme, o colonie atemporală pe care a văzut-o pe raftul unui magazin universal TJ Maxx. A recunoscut numele de la Parfumuri: Ghidul, o carte ale cărei descrieri poetice ale aromei îi declanșaseră obsesia. Încântat, și-a economisit alocația pentru a o adăuga la colecția sa. „Am ajuns să merg absolut prin adăpostul iepurilor”, a spus el.
Mai recent, în calitate de neuroștiință olfactiv pentru Google Research Echipa creierului, Wiltschko a folosit învățarea automată pentru a diseca simțul nostru cel mai vechi și cel mai puțin înțeles. Uneori se uita aproape cu dor la colegii săi care studiau celelalte simțuri. „Au aceste structuri intelectuale frumoase, aceste catedrale ale cunoașterii”, a spus el, care explică lumea vizuală și auditivă, derușinând ceea ce știm despre olfactiv.
Lucrările recente ale lui Wiltschko și ale colegilor săi, totuși, ajută la schimbarea acestui lucru. În o hartie postate pentru prima dată pe serverul de preprint biorxiv.org în iulie, au descris utilizarea învățării automate pentru a aborda o provocare de lungă durată în știința olfactivă. Descoperirile lor au îmbunătățit semnificativ capacitatea cercetătorilor de a calcula mirosul unei molecule din structura acesteia. Mai mult, modul în care au îmbunătățit aceste calcule a oferit noi perspective asupra modului în care funcționează simțul olfactiv, dezvăluind o ordine ascunsă în modul în care percepțiile noastre asupra mirosurilor corespund chimiei lumii vii.
Când inhalați un miros din cafeaua de dimineață, 800 de tipuri diferite de molecule călătoresc către receptorii dvs. de miros. Din complexitatea acestui portret chimic bogat, creierul nostru sintetizează o percepție generală: cafeaua. Cercetătorii au găsit totuși că este extrem de dificil să prezică cum va mirosi chiar și o singură moleculă pentru noi, oamenii. Nasul nostru găzduiește 400 de receptori diferiți pentru detectarea compoziției chimice a lumii din jurul nostru și abia începem să înțelegem câți dintre acești receptori pot interacționa cu o anumită moleculă. Dar chiar și cu aceste cunoștințe, nu este clar cum combinațiile de intrări de miros se mapează pe percepțiile noastre despre parfumuri ca fiind dulci, mosc, dezgustător și multe altele.
„Nu a existat un model clar care să vă ofere predicții despre cum miros majoritatea moleculelor”, a spus Pablo Meyer, care studiază analitica biomedicală și modelarea olfacției la IBM Research și nu a fost implicat în studiul recent. Meyer a decis să facă din problema emblematică structură-miros în centrul atenției IBM 2015 DREAM provocarea, o competiție de crowdsourcing de calcul. Echipele s-au întrecut pentru a construi modele care ar putea prezice mirosul unei molecule din structura sa.
Dar nici cele mai bune modele nu au putut explica totul. Pe tot cuprinsul datelor au fost cazuri neplăcute, neregulate, care au rezistat predicțiilor. Uneori, micile ajustări ale structurii chimice a unei molecule au produs un miros total nou. Alteori, schimbările structurale majore abia au schimbat mirosul.
O organizare metabolică pentru mirosuri
Pentru a încerca să explice aceste cazuri neregulate, Wiltschko și echipa sa au luat în considerare cerințele pe care evoluția le-ar fi putut impune simțurilor noastre. Fiecare simț a fost reglat de-a lungul a milioane de ani pentru a detecta cea mai importantă gamă de stimuli. Pentru vederea și auzul uman, aceasta este lumină cu lungimi de undă de la 400-700 de nanometri și unde sonore între 20 și 20,000 de herți. Dar ce guvernează lumea chimică detectată de nasul nostru?
„Singurul lucru care a fost constant de-a lungul timpului evolutiv, cel puțin de foarte mult timp în urmă, este motorul metabolic de bază din interiorul fiecărei ființe vii”, a spus Wiltschko, care a părăsit recent Google Research pentru a deveni un antreprenor în rezidență la filiala de capital de risc a Alphabet, GV.
Metabolismul se referă la seturile de reacții chimice - inclusiv ciclul Krebs, glicoliza, ciclul ureei și multe alte procese - care sunt catalizate de enzimele celulare și care convertesc o moleculă în alta în celule. Aceste căi de reacție bine uzate definesc o hartă a relațiilor dintre substanțele chimice naturale care ne plutesc în nas.
Ipoteza lui Wiltschko era simplă: poate că substanțele chimice care miros asemănător nu sunt legate doar din punct de vedere chimic, ci și din punct de vedere biologic.
Pentru a testa ideea, echipa sa avea nevoie de o hartă a reacțiilor metabolice care apar în natură. Din fericire, oamenii de știință din domeniul metabolomicii construiseră deja o bază de date mare care sublinia aceste relații chimice naturale și enzimele care le precipită. Cu aceste date, cercetătorii ar putea alege două molecule mirositoare și ar putea calcula câte reacții enzimatice ar fi necesare pentru a se transforma una în alta.
Pentru comparație, ei aveau nevoie și de un model de computer care ar putea cuantifica modul în care diferitele molecule mirositoare miros la oameni. În acest scop, echipa lui Wiltschko a perfecționat un model de rețea neuronală numit harta principală a mirosurilor care s-a bazat pe rezultatele competiției DREAM 2015. Această hartă este ca un nor de 5,000 de puncte, fiecare reprezentând mirosul unei molecule. Punctele pentru moleculele care miros asemănător se adună împreună, iar cele care miros foarte diferit sunt foarte îndepărtate. Deoarece cloud-ul este mult mai mult decât 3D - deține 256 de dimensiuni de informații - numai instrumentele de calcul avansate se pot confrunta cu structura sa.
Cercetătorii au căutat relații corespunzătoare în cadrul celor două surse de date. Ei au prelevat probe din 50 de perechi de molecule și au descoperit că substanțele chimice care erau mai apropiate pe harta metabolismului tindeau să fie, de asemenea, mai aproape pe harta parfumului, chiar dacă aveau structuri foarte diferite.
Wiltschko a fost uimit de corelație. Predicțiile încă nu au fost perfecte, dar au fost mai bune decât a realizat orice model anterior doar cu structura chimică, a spus el.
„Asta nu trebuia să se întâmple deloc”, a spus el. „Două molecule care sunt similare din punct de vedere biologic, ca la un pas de cataliza enzimatică, ar putea mirosi a trandafiri și a ouă putrezite.” Dar nu au făcut-o. „Și asta este o nebunie pentru mine. E frumos pentru mine.”
Cercetătorii au descoperit, de asemenea, că moleculele care apar în general împreună în natură - de exemplu, diferitele componente chimice ale unei portocale - tind să miros mai asemănător decât moleculele fără o asociere naturală.
Acordat chimic cu natura
Descoperirile sunt „intuitive și elegante”, a spus Robert Datta, neurobiolog la Harvard Medical School și fostul consilier doctoral al lui Wiltschko, care nu a fost implicat în studiul recent. „Este ca și cum sistemul olfactiv este construit pentru a detecta o varietate de coincidențe [chimice]”, a spus el. „Deci metabolismul guvernează coincidențele care sunt posibile.” Acest lucru indică faptul că există o altă caracteristică, pe lângă structura chimică a unei molecule, care contează pentru nasul nostru - procesul metabolic care a produs molecula în lumea naturală.
„Sistemul olfactiv este reglat pentru universul pe care îl vede, care sunt aceste structuri de molecule. Și modul în care sunt făcute aceste molecule face parte din asta”, a spus Meyer. El a lăudat inteligența ideii de a folosi metabolismul pentru a rafina clasificarea mirosurilor. Deși harta bazată pe metabolism nu se îmbunătățește drastic pe modelele structurale, deoarece originea metabolică a unei molecule este deja strâns legată de structura sa, „aduce informații suplimentare”, a spus el.
Următoarea frontieră a neuroștiinței olfactive va implica mirosurile amestecurilor în loc de molecule individuale, prezice Meyer. În viața reală, foarte rar inhalăm o singură substanță chimică la un moment dat; Gândește-te la sutele care ies din cana ta de cafea. În prezent, oamenii de știință nu au suficiente date despre amestecurile de odorante pentru a construi un model precum cel pentru substanțele chimice pure utilizate în studiul recent. Pentru a ne înțelege cu adevărat simțul mirosului, va trebui să examinăm modul în care constelațiile de substanțe chimice interacționează pentru a forma mirosuri complexe precum cele din sticlele de parfum ale lui Wiltschko.
Acest proiect a schimbat deja modul în care Wiltschko crede despre pasiunea lui de-a lungul vieții. Când simți un miros, „percepți părți ale unui alt lucru viu”, a spus el. „Cred că e foarte frumos. Mă simt mai conectat la viață așa.”
Nota editorului: Datta, un investigator la Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain și SFARI, primește finanțare de la Simons Foundation, care sponsorizează și această revistă independentă din punct de vedere editorial.
