Мы чувствуем запах благодаря сигналам, поступающим в мозг от обонятельных нейронов, рецепторы которых связываются с молекулами пахучих веществ, попадающих к нам в нос. Но предсказать, какую реакцию вызовет та или иная молекула, крайне сложно, хотя этот вопрос давно интересует как ученых, исследующих взаимодействие молекул с рецепторами, так и парфюмеров.

«Текущие научные знания позволяют предсказать, какой цвет будет видеть человек, если знать длину волны электромагнитного излучения, или, если знать частоту звуковой волны, — какой тон он услышит. В отличие от зрения и слуха, ученые до сих пор не могут предсказать запах по химической структуре молекулы. Схожие молекулы могут вызывать разные запахи, а молекулы с совершенно различной структурой — пахнуть похоже», — рассказал Марат Казанов.

Например, люди прекрасно отличают по запаху спирты н-пропанол, н-бутанол и н-пентанол, хотя формулы у них похожи.

Наоборот, мускон и мускус-кетон обладают совсем разными формулами, а пахнут похоже — мускусом. Объяснения этой особенности восприятия запахов пока нет.

«Построить предсказательные вычислительные модели, связывающие химическую структуру молекулы с воспринимаемым запахом пытались и раньше, но они были основаны, как правило, на данных эксперимента 30-летней давности с ограниченным набором ароматических веществ», — объяснил ученый.

В этом эксперименте почти полторы сотни участников определяли, чем пахнут такие вещества, как, например, ацетофенон. Всего в эксперименте использовали 10 веществ. В новом эксперименте, результаты которого были опубликованы в Science, участников было меньше — 49 человек, зато веществ, которые они оценивали, намного больше — 476.

Для каждого ароматического вещества оценивалась степень выраженности различных характеристик его запаха, таких как интенсивность, и приятность, и его схожесть с 19 заданными запахами (сладкий, цветочный, запах дерева, запах травы и т.д.). Для всех ароматических веществ были вычислены 4884 молекулярные характеристики, начиная от стандартных — молекулярного веса, присутствия тех или иных атомов, и заканчивая пространственными характеристиками молекулы.

Эти данные были предложены участникам консорциума DREAM Olfaction Prediction. DREAM Challenges — это краудсорсинговая платформа, которая позволяет ученым со всего мира объединяться для решения различных исследовательских задач в области биологии и медицины.

В данном случае участникам консорциума предлагалось, используя представленные данные, построить вычислительные модели, предсказывающие на основе молекулярных характеристик, как будут пахнуть ароматические вещества.

Всего было построено 18 вычислительных моделей. Лучше всего они предсказывали интенсивность запаха, затем его приятность для человека и далее — схожесть с 19 заданными запахами. Модели уверенно предсказывали сходство с запахами чеснока и гари, сладким, фруктовым и пряным ароматами. Сложнее всего было предсказать схожесть с запахами мочи, дерева и кислятины.

Модели также показали некоторые корреляции между свойствами запахов и молекул. Так, чем больше был молекулярный вес, тем запах был слабее, но приятнее. Интенсивность запаха также коррелировала с наличием в молекуле полярных групп, таких как фенол, энол и гидроксильная группа, а приятность — со схожестью молекулы с молекулами паклитокселя и цитронелил фенил-ацетата.

Атомы серы в молекуле были связаны с запахами чеснока и гари, а молекулы, схожие по структуре с ванилином, пахли выпечкой.