Биология обоняния — загадка. ИИ помогает ее разгадать!

Ученые начинают разгадывать невероятно сложный код, который помогает нам ощущать запахи.

Запах в лаборатории был новым. Выражаясь деловым языком, он был стойким: более недели запах держался на бумаге, на которой он был промокнут.

Для исследователя Алекса Вильчко это был запах летнего времени в Техасе: арбуз, а точнее, граница, где красная мякоть переходит в белую кожуру.

«Это была молекула, которую никто никогда раньше не видел», — говорит Вильчко, управляющий компанией Osmo, базирующейся в Кембридже, штат Массачусетс. Его команда создала соединение под названием 533 в рамках своей миссии по пониманию и оцифровке запахов. Его цель — разработать систему, которая сможет обнаруживать, предсказывать или создавать запахи, — это непростая задача, как показывает молекула 533. «Если бы вы посмотрели на строение, вы бы никогда не догадались, что оно так пахнет».

Это одна из проблем с пониманием запаха: химическая структура молекулы почти ничего не говорит о ее запахе. Два химических вещества с очень похожей структурой могут иметь совершенно разный запах; и две совершенно разные химические структуры могут производить почти идентичный запах. А большинство запахов — кофе, камамбера, спелых помидоров — представляют собой смеси многих десятков или сотен ароматических молекул, что усложняет задачу понимания того, как химия порождает обонятельный опыт.

Другая проблема — выяснить, как запахи связаны друг с другом. Для зрения спектр представляет собой простую цветовую палитру: красный, зеленый, синий и все их промежуточные звенья. Звуки имеют частоту и громкость, но для запаха нет явных параметров. Какое место занимает запах, идентифицируемый как «мороз», по отношению к «сауне»? Делать прогнозы относительно запаха — это настоящая проблема, говорит Джоэл Мейнленд, нейробиолог из Центра химических чувств Монелла, независимого исследовательского института в Филадельфии, штат Пенсильвания.

Животные, включая человека, развили чрезвычайно сложную систему декодирования, соответствующую огромному набору молекул запаха. Вся сенсорная информация обрабатывается рецепторами, и запах ничем не отличается — разве что своим масштабом. Для света человеческий глаз имеет два типа рецепторных клеток; обоняния — 400. Как сигналы от этих рецепторов объединяются, чтобы вызвать определенное восприятие, неясно. Кроме того, с самими белками-рецепторами сложно работать, поэтому то, как они выглядят и как функционируют, по большей части остается догадкой.

Однако ситуация начинает меняться благодаря улучшениям в структурной биологии, анализе данных и искусственном интеллекте (ИИ). Многие ученые надеются, что расшифровка обонятельного кода поможет им понять, как животные используют это важное чувство для поиска еды или партнеров и как оно влияет на память, эмоции, стресс, аппетит и многое другое.

Другие пытаются оцифровать запахи, чтобы создать новые технологии: устройства, диагностирующие болезни на основе запахов; лучшие и безопасные репелленты от насекомых; и доступные или более эффективные ароматические молекулы для рынка ароматизаторов и ароматизаторов стоимостью 30 миллиардов долларов США. По меньшей мере 20 начинающих фирм пытаются создать электронные носы для применения в сфере здравоохранения и общественной безопасности.

Все это приводит к всплеску исследований в области биологии обоняния, говорит Сандип Роберт Датта, нейробиолог из Гарвардской медицинской школы в Бостоне, штат Массачусетс. «У запаха есть момент», — говорит он.