Alex Wiltschko je začel zbirati parfume kot najstnik. Njegova prva steklenica je bila Azzaro Pour Homme, brezčasna kolonjska voda, ki jo je opazil na polici v T.J. Veleblagovnica Maxx. Prepoznal je ime iz Parfumi: vodnik, knjiga, katere poetični opisi arom so sprožili njegovo obsedenost. Očaran je prihranil denar, ki ga je dodal svoji zbirki. "Na koncu sem šel popolnoma v zajčjo luknjo," je dejal.
Pred kratkim kot vohalni nevroznanstvenik za Google Research's Možganska ekipa, je Wiltschko uporabil strojno učenje za seciranje našega najstarejšega in najmanj razumljenega čuta. Včasih je skoraj hrepeneče pogledal svoje kolege, ki so preučevali druga čutila. "Imajo te čudovite intelektualne strukture, te katedrale znanja," je dejal, ki pojasnjujejo vizualni in slušni svet, sramujejo pa se, kar vemo o vohu.
Nedavno delo Wiltschka in njegovih kolegov pa to pomaga spremeniti. notri papir julija prvič objavljen na strežniku za prednatis biorxiv.org, so opisali uporabo strojnega učenja za spopadanje z dolgoletnim izzivom v vohalni znanosti. Njihove ugotovitve so bistveno izboljšale sposobnost raziskovalcev, da izračunajo vonj molekule iz njene strukture. Poleg tega je način, kako so izboljšali te izračune, dal nove vpoglede v delovanje našega občutka za vonj in razkril skriti red v tem, kako naše zaznavanje vonjav ustreza kemiji živega sveta.
Ko vdihnete dih jutranje kave, 800 različnih vrst molekul potuje do vaših receptorjev za vonj. Iz kompleksnosti tega bogatega kemičnega portreta naši možgani sintetizirajo splošno zaznavo: kavo. Raziskovalci pa so ugotovili, da je izredno težko napovedati, kako nam bo dišala ena sama molekula. Naši nosovi gostijo 400 različnih receptorjev za zaznavanje kemične sestave sveta okoli nas in šele začenjamo dojemati, koliko teh receptorjev lahko sodeluje z določeno molekulo. Toda tudi s tem znanjem ni jasno, kako se kombinacije vnosov vonjav preslikajo na naše dojemanje dišav kot sladkih, mošusnih, gnusnih in drugih.
"Ni bilo jasnega modela, ki bi vam dal napovedi, kako diši večina molekul," je dejal Pablo Meyer, ki preučuje biomedicinsko analitiko in modeliranje voha pri IBM Research in ni bil vključen v nedavno študijo. Meyer se je odločil, da bo ikoničen problem struktura-vonj osredotočil na IBM 2015 SANJSKI izziv, tekmovanje v računalniškem crowdsourcingu. Ekipe so tekmovale v izdelavi modelov, ki bi lahko predvideli vonj molekule iz njene strukture.
Toda tudi najboljši modeli niso mogli razložiti vsega. Po vseh podatkih so bili nadležni, nepravilni primeri, ki so se upirali napovedi. Včasih so majhne spremembe kemijske strukture molekule povzročile popolnoma nov vonj. Drugič so večje strukturne spremembe komajda spremenile vonj.
Presnovna organizacija za vonjave
Da bi poskusili razložiti te nepravilne primere, sta Wiltschko in njegova ekipa upoštevala zahteve, ki bi jih evolucija morda naložila našim čutom. Vsak čut je bil na milijone let uglašen tako, da zazna najpomembnejši obseg dražljajev. Za človeški vid in sluh je to svetloba valovnih dolžin od 400 do 700 nanometrov in zvočni valovi med 20 in 20,000 herci. Toda kaj vlada kemičnemu svetu, ki ga zazna naš nos?
"Edina stvar, ki je bila skozi evolucijski čas nespremenjena, vsaj že zelo dolgo nazaj, je glavni metabolni motor v vsakem živem bitju," je dejal Wiltschko, ki je nedavno zapustil Google Research in postal rezidenčni podjetnik v Alphabetovi hčerinski družbi tveganega kapitala, GV.
Presnova se nanaša na sklope kemičnih reakcij – vključno s Krebsovim ciklom, glikolizo, ciklom sečnine in številnimi drugimi procesi – ki jih katalizirajo celični encimi in ki pretvorijo eno molekulo v drugo v celicah. Te dobro obrabljene reakcijske poti določajo zemljevid odnosov med naravno prisotnimi kemikalijami, ki vdihnejo v naše nosove.
Wiltschkova hipoteza je bila preprosta: morda kemikalije, ki dišijo podobno, niso samo kemično povezane, ampak tudi biološko.
Za preizkušanje ideje je njegova ekipa potrebovala zemljevid presnovnih reakcij, ki se pojavljajo v naravi. Na srečo so znanstveniki na področju metabolomike že zgradili veliko bazo podatkov, ki je orisala te naravne kemične odnose in encime, ki jih obarjajo. S temi podatki so lahko raziskovalci izbrali dve molekuli z vonjem in izračunali, koliko encimskih reakcij bi bilo potrebnih za pretvorbo ene v drugo.
Za primerjavo so potrebovali tudi računalniški model, ki bi lahko kvantificiral, kako dišijo različne molekule z vonjem za ljudi. V ta namen je Wiltschkova ekipa izpopolnjevala model nevronske mreže, imenovan glavni zemljevid vonjav ki temelji na ugotovitvah tekmovanja DREAM iz leta 2015. Ta zemljevid je kot oblak 5,000 točk, od katerih vsaka predstavlja vonj ene molekule. Točke za molekule, ki dišijo podobno, se združujejo, tiste, ki dišijo zelo drugače, pa so daleč narazen. Ker je oblak veliko več kot 3D – vsebuje 256 dimenzij informacij – se lahko le napredna računalniška orodja spopadejo z njegovo strukturo.
Raziskovalci so iskali ustrezna razmerja znotraj obeh virov podatkov. Vzorčili so 50 parov molekul in ugotovili, da so kemikalije, ki so bile bližje na zemljevidu presnove, prav tako bližje na zemljevidu vonjav, čeprav so imele zelo različne strukture.
Wiltschko je bil presenečen nad korelacijo. Napovedi še vedno niso bile popolne, vendar so bile boljše od vseh prejšnjih modelov, ki jih je dosegel samo s kemično strukturo, je dejal.
"To se sploh ni moralo zgoditi," je dejal. "Dve molekuli, ki sta biološko podobni, kot en korak encimske katalize, lahko dišita kot vrtnice in gnila jajca." Ampak niso. »In to je zame noro. Lepo mi je.”
Raziskovalci so tudi ugotovili, da imajo molekule, ki se v naravi običajno pojavljajo skupaj - na primer različne kemične sestavine pomaranče - bolj podoben vonj kot molekule brez naravne povezave.
Kemično usklajen z naravo
Rečeno je, da so ugotovitve "intuitivne in elegantne". Robert Datta, nevrobiolog na Harvard Medical School in Wiltschkov nekdanji doktorski svetovalec, ki ni bil vključen v nedavno študijo. "Kot da je vohalni sistem zgrajen za zaznavanje različnih [kemičnih] naključij," je dejal. "Torej metabolizem ureja naključja, ki so možna." To kaže, da obstaja še ena značilnost poleg kemijske strukture molekule, ki je pomembna za naše nosove - presnovni proces, ki je proizvedel molekulo v naravnem svetu.
»Olfaktivni sistem je uglašen za vesolje, ki ga vidi, to so te strukture molekul. In kako so te molekule narejene, je del tega,« je dejal Meyer. Pohvalil je pametno idejo o uporabi metabolizma za izboljšanje kategorizacije vonjav. Čeprav zemljevid, ki temelji na metabolizmu, ne izboljša drastično strukturnih modelov, ker je presnovni izvor molekule že tesno povezan z njeno strukturo, "prinaša nekaj dodatnih informacij," je dejal.
Naslednja meja vohalne nevroznanosti bo vključevala vonjave mešanic namesto posameznih molekul, napoveduje Meyer. V resničnem življenju zelo redko vdihavamo le eno kemikalijo naenkrat; pomislite na stotine, ki plujejo iz vaše skodelice kave. Trenutno znanstveniki nimajo dovolj podatkov o mešanicah dišav, da bi zgradili model, kot je tisti za čiste kemikalije, uporabljene v nedavni študiji. Da bi resnično razumeli naš voh, bomo morali preučiti, kako konstelacije kemikalij medsebojno delujejo, da tvorijo zapletene vonjave, kot so tisti v Wiltschkovih stekleničkah parfumov.
Ta projekt je že spremenil Wiltschkovo razmišljanje o svoji življenjski strasti. Ko občutite vonj, "zaznavate dele drugega živega bitja," je dejal. »Mislim, da je to res lepo. Tako se počutim bolj povezano z življenjem.”
Opomba urednika: Datta, raziskovalec pri Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain in SFARI, prejema sredstva od fundacije Simons, ki tudi sponzorira to uredniško neodvisno revijo.
