Geuren - veelbelovende mysteries en intriges - worden gemengd door meesterparfumeurs, hun recepten geheim gehouden. In een nieuwe studie over de reukzin, Onderzoekers van het Weizmann Institute of Science zijn erin geslaagd om veel van het mysterie te ontdoen van zelfs complexe mengsels van geurstoffen, niet door hun geheime ingrediënten te onthullen, maar door vast te leggen en in kaart te brengen hoe ze worden waargenomen. De wetenschappers kunnen nu voorspellen hoe een complexe geurstof alleen al door zijn moleculaire structuur zal ruiken. Deze studie kan niet alleen een revolutie teweegbrengen in de wereld van de parfumerie, maar uiteindelijk leiden tot het vermogen om geuren op commando te digitaliseren en te reproduceren. Een voorgesteld kader voor geuren, gemaakt door neurobiologen, computer wetenschappers, en een meesterparfumeur en gefinancierd door een initiatief van de Europese Commissie genaamd Future and Emerging Technologies (FET) Open, werd gepubliceerd in Natuur .

"De uitdaging om geuren op een georganiseerde en logische manier in kaart te brengen, werd meer dan 100 jaar geleden voor het eerst voorgesteld door Alexander Graham Bell, " zegt prof. Noam Sobel van de afdeling Neurobiologie van het Weizmann Instituut. Bell gooide de handschoen neer, zeggen:"We hebben heel veel verschillende soorten geuren, helemaal van de geur van viooltjes en rozen tot asafoetida. Maar totdat je hun gelijkenissen en verschillen kunt meten, kun je geen wetenschap van geur hebben." Zijn uitdaging bleef onvervuld - tot nu toe.

Deze eeuwenoude uitdaging benadrukte de moeilijkheid om geuren in een logisch systeem in te passen, omdat er miljoenen geurreceptoren in onze neuzen zijn, met honderden subtypen, elk gevormd om bepaalde moleculaire kenmerken te detecteren. Onze hersenen nemen potentieel miljoenen geuren waar waarin deze afzonderlijke moleculen met verschillende intensiteiten worden gemengd en vermengd; dus, het in kaart brengen van deze informatie was een uitdaging. Maar de studie van prof. Sobel en zijn team, onder leiding van afgestudeerde student Aharon Ravia en Dr. Kobi Snitz, ontdekte dat er een onderliggende orde is in geuren. Ze kwamen tot deze conclusie door het concept van Bell over te nemen, namelijk:om niet de geuren zelf te beschrijven, maar eerder de relaties tussen geuren zoals ze worden waargenomen.

In het eerste experiment, de onderzoekers creëerden 14 aromatische melanges, elk bestaande uit ongeveer 10 moleculaire componenten, en presenteerde ze twee tegelijk aan bijna 200 vrijwilligers. De deelnemers beoordeelden de geurenparen op hoe vergelijkbaar ze leken, rangschik ze op een schaal van 'identiek' tot 'extreem verschillend'. Tegen het einde van het experiment, elke vrijwilliger had 95 paren geëvalueerd.

Om de resulterende database van duizenden perceptuele gelijkenissen te vertalen naar een bruikbare lay-out, het team verfijnde een fysisch-chemische maatregel die ze eerder hadden ontwikkeld. Bij deze berekening is elke geurstof werd vertegenwoordigd door een enkele vector die 21 fysieke maatregelen combineert (polariteit, molecuulgewicht, enzovoort.). Om twee geurstoffen te vergelijken, elk vertegenwoordigd door een vector, de wetenschappers maten de hoek tussen de vectoren om de perceptuele gelijkenis tussen hen weer te geven. Paren geurstoffen met een korte hoekafstand tussen hen werden voorspeld vergelijkbaar te zijn, en die met een hoge hoekafstand werden voorspeld anders te zijn.

Om dit model te testen, het team paste het eerst toe op gegevens die door andere onderzoekers waren verzameld, voornamelijk een groot onderzoek naar geurdiscriminatie door Caroline Bushdid en collega's in het laboratorium van prof. Leslie Vosshall aan de Rockefeller University in New York. Het Weizmann-team ontdekte dat hun model en metingen de Bushdid-resultaten nauwkeurig voorspelden:geurstoffen met een kleine hoekafstand ertussen waren moeilijk te onderscheiden; die met een hoge hoekafstand waren eenvoudig. Aangemoedigd door de nauwkeurigheid van het model bij het voorspellen van door anderen verzamelde gegevens, de Sobel-groep bleef zelf testen.

Het team bedacht nieuwe geuren en nodigde een nieuwe groep vrijwilligers uit om ze te ruiken, opnieuw met behulp van hun methode om te voorspellen hoe deze groep deelnemers de paren zou beoordelen - eerst 14 nieuwe mengsels en dan, in het volgende experiment, 100 melanges. Het model presteerde uitzonderlijk goed. In feite, de resultaten waren in dezelfde marge als die voor kleurperceptie - zintuiglijke informatie die is gebaseerd op goed gedefinieerde parameters. Dit was vooral verrassend gezien het feit dat elke persoon waarschijnlijk een uniek complement van geurreceptorsubtypes heeft, die kan variëren met maar liefst 30% tussen individuen.

Omdat de 'geurkaart, ' of metrisch, voorspelt de gelijkenis van twee geurstoffen, het kan ook worden gebruikt om te voorspellen hoe een geurstof uiteindelijk zal ruiken. Bijvoorbeeld, elke nieuwe geurstof die binnen 0,05 radialen (een maateenheid voor hoeken) of minder van de geur van banaan ligt, zal precies naar banaan ruiken. Naarmate de nieuwe geurstof afstand neemt van banaan, het zal banaanachtig ruiken, en verder dan een bepaalde afstand, het zal niet meer op banaan lijken.

Het Sobel-lab ontwikkelt nu een webgebaseerde tool. Deze technieken voorspellen niet alleen hoe een nieuwe geurstof zal ruiken, maar kan ook geurstoffen door het ontwerp synthetiseren. Bijvoorbeeld, men kan elk parfum nemen met een bekende set ingrediënten en, met behulp van de kaart en metriek, een nieuw parfum genereren zonder componenten die gemeen hebben met het originele parfum, maar met precies dezelfde geur. Dergelijke creaties in kleurenvisie, namelijk niet-overlappende spectrale composities die dezelfde waargenomen kleur genereren - worden kleurmetameren genoemd, en het Sobel-team heeft olfactorische metameren geproduceerd.

De bevindingen zijn een belangrijke stap in de richting van het realiseren van een visie van studieco-auteur Prof. David Harel van de afdeling Computerwetenschappen en Toegepaste Wiskunde van het Weizmann Institute, die ook dienst doet als vice-president van de Israel Academy of Sciences and Humanities:Computers in staat stellen om geuren te digitaliseren en te reproduceren. Naast het kunnen toevoegen van realistische bloemen- of zeearoma's aan vakantiefoto's op sociale media, computers de mogelijkheid geven om geuren te interpreteren zoals mensen dat doen, zou een impact kunnen hebben op milieumonitoring en de biomedische en voedingsindustrie, om er een paar te noemen. Nog altijd, meesterparfumeur Christophe Laudamiel, die ook co-auteur is van de studie, merkt op dat hij zich nog geen zorgen maakt over zijn beroep.

Prof. Sobel zegt, "Honderd jaar geleden, Alexander Graham Bell vormde een uitdaging. We hebben het nu beantwoord:de afstand tussen roos en violet is 0,202 radialen (ze zijn in de verste verte vergelijkbaar), de afstand tussen violet en asafoetida is 0,5 radialen (ze zijn heel verschillend), en het verschil tussen roos en asafoetida is 0,565 radialen (ze zijn zelfs nog meer verschillend). We hebben geurpercepten omgezet in cijfers, en dit zou inderdaad de wetenschap van geur vooruit moeten helpen."