At møde en 100 år gammel udfordring kan føre vejen til digitale aromaer

Dufte – der lover mystik og intriger – blandes af mesterparfumører, deres opskrifter holdt hemmelige. I en ny undersøgelse om lugtesansen, Forskere fra Weizmann Institute of Science har formået at fjerne meget af mysteriet fra selv komplekse blandinger af lugtstoffer, ikke ved at afsløre deres hemmelige ingredienser, men ved at registrere og kortlægge, hvordan de opfattes. Forskerne kan nu forudsige, hvordan en kompleks lugtstof vil lugte fra dens molekylære struktur alene. Denne undersøgelse kan ikke kun revolutionere parfumeriverdenen, men i sidste ende føre til evnen til at digitalisere og gengive lugte på kommando. En foreslået ramme for lugte, skabt af neurobiologer, dataloger, og en mesterparfumer og finansieret af et initiativ fra Europa-Kommissionen kaldet Future and Emerging Technologies (FET) Open, blev udgivet i Natur .

"Udfordringen med at plotte lugte på en organiseret og logisk måde blev først foreslået af Alexander Graham Bell for over 100 år siden, " siger prof. Noam Sobel fra Weizmann Instituttets neurobiologiske afdeling. Bell smed handsken ned, siger:"Vi har rigtig mange forskellige slags lugte, hele vejen fra duften af ​​violer og roser op til asafoetida. Men indtil du kan måle deres ligheder og forskelle, kan du ikke have nogen videnskab om lugt." Hans udfordring forblev uopfyldt - indtil nu.

Denne århundredgamle udfordring fremhævede vanskeligheden ved at tilpasse lugte til et logisk system, da der er millioner af lugtreceptorer i vores næse, med hundredvis af undertyper, hver formet til at detektere særlige molekylære træk. Vores hjerner opfatter potentielt millioner af lugte, hvori disse enkelte molekyler er blandet og blandet i forskellige intensiteter; dermed, at kortlægge disse oplysninger har været en udfordring. Men undersøgelsen af ​​prof. Sobel og hans team, ledet af kandidatstuderende Aharon Ravia og Dr. Kobi Snitz, fundet, at der er en underliggende rækkefølge til lugte. De nåede frem til denne konklusion ved at adoptere Bells koncept – nemlig, for ikke at beskrive lugtene i sig selv, men snarere forholdet mellem lugte, som de opfattes.

I det indledende forsøg, forskerne skabte 14 aromatiske blandinger, hver omfattende omkring 10 molekylære komponenter, og præsenterede dem to ad gangen for næsten 200 frivillige. Deltagerne bedømte dufteparrene efter, hvor ens de så ud, rangere dem på en skala, der spænder fra 'identiske' til 'ekstremt forskellige'. Ved slutningen af ​​eksperimentet, hver frivillig havde vurderet 95 par.

For at oversætte den resulterende database med tusindvis af perceptuelle lighedsvurderinger til et nyttigt layout, holdet forfinede en fysisk-kemisk målestok, de tidligere havde udviklet. I denne beregning, hver lugtstof var repræsenteret af en enkelt vektor, der kombinerer 21 fysiske mål (polaritet, molekylær vægt, etc.). For at sammenligne to lugtstoffer, hver repræsenteret af en vektor, forskerne målte vinklen mellem vektorerne for at afspejle den perceptuelle lighed mellem dem. Par af lugtstoffer med en kort vinkelafstand mellem dem blev forudsagt at være ens, og dem med høj vinkelafstand blev forudsagt at være anderledes.

For at teste denne model, holdet anvendte det først på data indsamlet af andre forskere, primært et stort studie i lugtdiskrimination foretaget af Caroline Bushdid og kolleger i laboratoriet hos prof. Leslie Vosshall ved Rockefeller University i New York. Weizmann-teamet fandt ud af, at deres model og målinger nøjagtigt forudsagde Bushdid-resultaterne:Lugtstoffer med lav vinkelafstand mellem dem var svære at skelne; dem med høj vinkelafstand var enkle. Opmuntret af modellens nøjagtighed i at forudsige data indsamlet af andre, Sobel-gruppen fortsatte med at teste sig selv.

Holdet opdigtede nye dufte og inviterede en frisk gruppe frivillige til at dufte dem, igen ved at bruge deres metode til at forudsige, hvordan dette sæt deltagere ville vurdere parrene – først 14 nye blandinger og derefter, i næste eksperiment, 100 blandinger. Modellen klarede sig usædvanligt godt. Faktisk, resultaterne var i samme boldgade som for farveopfattelse - sensorisk information, der er funderet i veldefinerede parametre. Dette var især overraskende i betragtning af, at hver person sandsynligvis har et unikt supplement af lugtreceptor-undertyper, som kan variere med så meget som 30 % på tværs af individer.

Fordi lugtkortet, ' eller metrisk, forudsiger ligheden mellem to forskellige lugtstoffer, det kan også bruges til at forudsige, hvordan en lugtstof i sidste ende vil lugte. For eksempel, ethvert nyt lugtstof, der er inden for 0,05 radianer (en måleenhed for vinkler) eller mindre fra lugten af ​​banan, vil lugte nøjagtigt som banan. Efterhånden som den nye lugtstof tager afstand fra banan, det vil lugte bananagtigt, og ud over en vis afstand, det vil holde op med at ligne banan.

Sobel-laboratoriet er nu ved at udvikle et webbaseret værktøj. Disse teknikker forudsiger ikke kun, hvordan en ny lugtstof vil lugte, men kan også syntetisere lugtstoffer efter design. For eksempel, man kan tage enhver parfume med et kendt sæt ingredienser og, ved hjælp af kortet og metrikken, generere en ny parfume uden komponenter til fælles med den originale parfume, men med nøjagtig samme lugt. Sådanne kreationer i farvesyn - nemlig ikke-overlappende spektralsammensætninger, der genererer den samme opfattede farve - kaldes farvemetamerer, og Sobel-teamet har produceret olfaktoriske metamere.

Resultaterne er et væsentligt skridt i retning af at realisere en vision af studiemedforfatter prof. David Harel fra Weizmann Instituttets afdeling for datalogi og anvendt matematik, der også fungerer som vicepræsident for Israel Academy of Sciences and Humanities:Gør det muligt for computere at digitalisere og gengive lugte. Ud over at kunne tilføje realistiske blomster- eller havaromaer til feriebilleder på sociale medier, at give computere mulighed for at fortolke lugte på den måde, som mennesker gør, kan have en indvirkning på miljøovervågning og den biomedicinske industri og fødevareindustrien, for at nævne et par stykker. Stadig, mesterparfumer Christophe Laudamiel, som også er medforfatter til undersøgelsen, bemærker, at han ikke er bekymret for sit erhverv endnu.

Prof. Sobel siger, "For hundrede år siden, Alexander Graham Bell udgjorde en udfordring. Vi har nu svaret på det:Afstanden mellem rose og violet er 0,202 radianer (de er meget ens), afstanden mellem violet og asafoetida er 0,5 radianer (de er meget forskellige), og forskellen mellem rose og asafoetida er 0,565 radianer (de er endnu mere forskellige). Vi har konverteret lugtopfattelser til tal, og dette burde virkelig fremme videnskaben om lugt."