AI giải mã bí ẩn sinh học về mùi hương

Các nhà khoa học đang ứng dụng công nghệ AI để tìm lời giải cho một bài toán cực kỳ phức tạp – cách chúng ta ngửi được mùi.

Trong phòng thí nghiệm của Công ty khởi nghiệp Osmo – một công ty spin-off của Google Research có trụ sở tại Cambridge, Massachusetts (Mỹ), một mùi hương mới được tạo ra có khả năng lưu mùi khá lâu dài: tờ giấy thấm mùi hương đó vẫn giữ được mùi sau hơn một tuần. Với nhà nghiên cứu Alex Wiltschko, đó là mùi dưa hấu, cụ thể là ranh giới nơi phần thịt đỏ chuyển sang cùi trắng, người điều hành công ty cho biết, nhóm của ông đã tạo ra hợp chất này, có tên là 533 trong khuôn khổ dự án nghiên cứu và số hóa mùi. Mục tiêu của họ là phát triển một hệ thống có thể phát hiện, dự đoán hoặc tạo ra mùi nhưng điều này không hề đơn giản. “Nếu nhìn vào cấu trúc, bạn không thể đoán được nó có mùi như thế này”. 

Một trong những thách thức khi nghiên cứu mùi là cấu trúc hóa học của một phân tử hầu như không thể hiện gì về mùi của nó. Hai chất có cấu trúc rất giống nhau có thể có mùi rất khác nhau; và hai cấu trúc hóa học rất khác nhau có thể tạo ra mùi gần như giống hệt. Và hầu hết các mùi – cà phê, phô mai Camembert, cà chua chín – là hỗn hợp của hàng chục hoặc hàng trăm phân tử mùi hương, làm tăng thêm khó khăn trong việc tìm hiểu cơ chế hóa học của mùi.

Động vật, bao gồm cả con người, đã phát triển một hệ thống giải mã cực kỳ phức tạp phù hợp với kho tàng khổng lồ các phân tử mùi. Mọi thông tin cảm giác đều được xử lý bởi các thụ thể, và khứu giác cũng không ngoại lệ – điểm khác biệt lớn nhất là số lượng của nó. Chẳng hạn với thị giác, mắt người có hai loại thụ thể tế bào; nhưng khứu giác có đến 400 loại. Người ta vẫn chưa biết các tín hiệu từ những thụ thể này kết hợp như thế nào để kích hoạt một giác quan cụ thể. Ngoài ra, bản thân các protein thụ thể rất phức tạp, vì vậy hình dạng và chức năng của chúng chủ yếu vẫn còn là phỏng đoán. 

Tuy nhiên, mọi thứ đang dần thay đổi, nhờ vào những tiến bộ trong sinh học cấu trúc, phân tích dữ liệu và trí tuệ nhân tạo (AI). Nhiều nhà khoa học hy vọng rằng việc giải mã khứu giác sẽ giúp họ tìm hiểu được cách động vật sử dụng giác quan thiết yếu này để tìm thức ăn hoặc bạn tình, cách nó tác động vào trí nhớ, cảm xúc, căng thẳng, cảm giác thèm ăn… 

Nhiều nơi khác đang tìm cách số hóa mùi để phát triển các công nghệ mới: các thiết bị chẩn đoán bệnh dựa trên mùi; thuốc diệt côn trùng tốt hơn, an toàn hơn; và các phân tử mùi hương có giá cả phải chăng hoặc hữu dụng hơn cho thị trường nước hoa và hương liệu trị giá 30 tỷ USD. Ít nhất 20 công ty khởi nghiệp đang nghiên cứu chế tạo mũi điện tử để ứng dụng trong y tế và an ninh công cộng. 

Tất cả kết hợp lại tạo nên làn sóng nghiên cứu về sinh học khứu giác – theo Sandeep Robert Datta, một nhà khoa học thần kinh tại Trường Y Harvard ở Boston, Massachusetts (Mỹ). 

Những cỗ máy khứu giác

Việc tìm ra mối liên hệ giữa cấu trúc và mùi hương là một bài toán phức tạp, ngay cả với các chuyên gia. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã phát triển một số mô hình tính toán có thể liên kết cấu trúc với mùi, nhưng các phiên bản đầu tiên thường sử dụng các tập dữ liệu khá hẹp hoặc chỉ có thể đưa ra dự đoán khi mùi đã được hiệu chuẩn để có cùng cường độ cảm nhận. Việc ứng dụng học máy trong nghiên cứu mùi đã đạt được một số khả quan, song vẫn tồn tại những hạn chế. Chẳng hạn, khi các nhà nghiên cứu tổ chức một cuộc thi để xây dựng mô hình dự đoán mùi tốt nhất, các thuật toán từ 22 nhóm chỉ có thể dự đoán hiệu quả tám trong số 19 mô tả mùi. 

Năm 2023, nhóm của Wiltschko – khi đó nằm trong bộ phận nghiên cứu AI của Google – đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Monell để xây dựng bản đồ mùi (một cách phân loại mùi hương để các phân tử có mùi giống nhau được nhóm lại với nhau) bằng cách ứng dụng AI. 

Trước tiên, họ cung cấp cho phần mềm máy học một bộ dữ liệu gồm hàng nghìn mô tả về cấu trúc phân tử có sẵn từ các danh mục mùi hương, mỗi loại mùi đều được gắn nhãn, chẳng hạn như hoa cỏ hoặc thịt bò. Sau đó, họ so sánh hệ thống AI với mũi người. Họ đã đào tạo 15 người tham gia đánh giá vài trăm mùi hương với 55 nhãn dán, đơn cử như “khói”, “nhiệt đới” và “sáp”. Thông qua việc sử dụng cấu trúc của các phân tử này, thuật toán AI đã dự đoán khá tốt mùi của các hợp chất so với con người. 

Mã bí ẩn

Mũi của người bình thường hay chuyên gia mùi hương đều có hàng triệu tế bào thần kinh khứu giác, trong đó mỗi tế bào thường chỉ biểu hiện một loại thụ thể khứu giác. Mỗi loại thụ thể này có thể nhận ra một hoặc nhiều mùi – và mỗi mùi có thể được phát hiện bởi nhiều thụ thể. Tổng cộng, khoảng 400 thụ thể khứu giác của con người có thể phản ứng với một nghìn tỷ hóa chất khác nhau. Theo Aashish Manglik, một nhà hóa sinh tại Đại học California, San Francisco, đó là một hệ thống cực kỳ phức tạp, được điều chỉnh linh hoạt và tinh tế. 

Một bước quan trọng để giải mã mùi là tìm hiểu về các thụ thể và cách chúng nhận biết các chất. Tuy nhiên, đây là một bài toán phức tạp. “Chúng là những protein màng khó nghiên cứu nhất”, Manglik cho biết. Nhiều loại protein không ổn định để có thể biểu hiện trong tế bào trong phòng thí nghiệm và tạo ra đủ protein để phân tích.

Sau khi thử hầu hết mọi thụ thể khứu giác khả thi, Manglik và các đồng nghiệp đã tìm thấy một thụ thể khứu giác được biểu hiện rất rõ ràng ở bên ngoài mũi, trong ruột và tuyến tiền liệt, và do đó, có thể được tạo ra dễ dàng hơn trong các dòng tế bào thường được sử dụng. Thụ thể đó có tên OR51E2, phản ứng với hóa chất propionate – một hóa chất có mùi hăng, giống như mùi phô mai.

Sử dụng kính hiển vi điện tử cryo, nhóm nghiên cứu đã xem xét cách propionate liên kết với thụ thể trong một túi nhỏ, cũng như cách liên kết đó thay đổi hình dạng của thụ thể và truyền đi thông tin. Buck – người có phòng thí nghiệm tại Trung tâm Nghiên cứu Ung thư Fred Hutchinson ở Seattle, Washington – cho biết: việc nhìn thấy cấu trúc này “thực sự thú vị”.

Tuy nhiên, các thụ thể khứu giác có thể phát hiện được nhiều chất tạo mùi đến nỗi mà “cấu trúc của một thụ thể khứu giác cũng không đem lại nhiều hiểu biết cho chúng ta”, Hiro Matsunami – nhà sinh học về khứu giác tại Đại học Duke ở Durham, Bắc Carolina – người đã cộng tác với Manglik trong nghiên cứu về OR51E2 – cho biết.

Do đó, bên cạnh việc cố gắng nuôi cấy nhiều thụ thể hơn nữa, Matsunami và các đồng nghiệp của ông đã cố gắng hiểu thêm về thụ thể khứu giác bằng cách tái thiết kế thụ thể này. Cụ thể, họ đã tạo ra một số thụ thể tổng hợp bằng cách sử dụng OR51E2 và các bộ phận từ 24 thụ thể tương tự. Họ đã căn chỉnh các chuỗi amino-axit của các thụ thể khứu giác đã có này và chọn amino-axit thường gặp nhất ở mỗi vị trí để xây dựng một cấu trúc trung bình. Sau đó, nhóm nghiên cứu biểu hiện cấu trúc này trong các tế bào. Khi so sánh cấu trúc tổng hợp với cấu trúc OR51E2 – cấu trúc tương ứng ngoài đời thực, cấu trúc tổng hợp này có “ngoại hình” và “hành vi” giống hệt như người anh em của nó.

Tiếp đó, nhóm nghiên cứu thử xây dựng một thụ thể trung bình khác dựa trên thụ thể khứu giác có tên OR1A1 – thụ thể này không có cấu trúc được công bố. OR1A1 có khả năng nhận diện được nhiều loại mùi khác nhau, bao gồm một số mùi trái cây, hoa và bạc hà. Họ đã sử dụng một mô hình tính toán để khám phá cách OR1A1 liên kết với hai hợp chất đều có mùi bạc hà (các hợp chất này liên kết với thụ thể ở những vị trí khác nhau).

Nhóm nghiên cứu cho rằng các chất tạo mùi khác nhau có thể tác động đến một thụ thể khứu giác theo những cách riêng biệt. Điều này sẽ giúp giải thích mức độ phức tạp trong mã mùi, cũng như có thể lý giải tại sao, hai loại hóa chất khác nhau có thể có mùi tương tự nhau hoặc tại sao các hợp chất giống nhau về mặt hóa học lại có mùi rất khác nhau. Chẳng hạn, hợp chất carvone có hai loại giống nhau đến mức chúng gần như hình ảnh phản chiếu của nhau: một loại có mùi bạc hà, và một loại có mùi giống cây thì là. “Phải có một thụ thể nào đó có thể giải thích điều này”, Matsunami cho biết.

Hiện nay, một số nhà nghiên cứu đang sử dụng học máy để đẩy nhanh quá trình tìm kiếm các cấu trúc thụ thể và các chất hóa học ưa thích của chúng. Và ở thời điểm hiện tại, các nhà khoa học đã xác định được các phân tử mùi liên kết với khoảng 20% thụ thể khứu giác của con người.

Thuật toán dự đoán protein AlphaFold đã đưa ra gợi ý về hàng nghìn cấu trúc cho thụ thể khứu giác ở động vật có vú. Và học máy và mô hình hóa đã giúp Matsunami và các đồng nghiệp của ông sàng lọc hàng triệu hợp chất để xem hợp chất nào có thể liên kết với hai cấu trúc thụ thể khứu giác được thử nghiệm. Một trong những phân tử mà họ tìm thấy có mùi hoa cam; một phân tử khác lại có mùi mật ong nồng đượm.

Manglik cho biết, mục tiêu cuối cùng của họ là thu thập dữ liệu về hàng trăm thụ thể khứu giác và cách chúng hoạt động với thành phần hóa học của hàng triệu chất tạo mùi.

Khi mũi dẫn đường

Một khi mùi được các thụ thể xử lý, thông tin này sẽ tiến đến một vùng não gọi là hành khứu giác (nằm sau sống mũi), và sau đó tiếp tục đến vỏ não khứu giác. Thực tế, các nhà khoa học đã hiểu rõ về mạch khứu giác trước khi thông tin đi vào vỏ não, đặc biệt là mạch khứu giác ở các sinh vật mô hình như ruồi giấm và chuột. Nhưng vỏ não khứu giác lại là một bí ẩn. “Thật khó để biết điều gì đang xảy ra ở đó”, Buck cho hay.

Do đó, rất nhiều nhà nghiên cứu muốn tìm hiểu thông tin từ các thụ thể được tổ chức trong não như thế nào, cũng như đâu là những quy tắc chi phối nhận thức. Theo Dima Rinberg – nhà khoa học thần kinh nghiên cứu về mùi tại Trường Y khoa Đại học New York, nếu hiểu được điều này, các nhà khoa học có thể khiến một con vật cảm nhận được một mùi nhất định mà thậm chí không cần đưa ra chất tạo mùi, chỉ bằng cách tái tạo lại mô hình mà con vật này tạo ra trong não.

Một ẩn số lớn khác, theo Datta, là cách hệ thống khứu giác tương tác với các mạch não quan trọng khác, chẳng hạn như những mạch điều khiển chuyển động hoặc điều hướng. Một số phòng thí nghiệm, bao gồm cả phòng thí nghiệm của ông, cũng quan tâm đến cách động vật cảm nhận mùi hương và hành vi di chuyển hoặc tránh xa nơi tỏa ra mùi hương đó.

Hiện nay, việc tìm hiểu về mối liên hệ giữa mùi hương và hành vi đã có thể thực hiện được ở một mức độ nào đó trong não của côn trùng. Chẳng hạn, ở ruồi giấm, các nhà khoa học đã có thể khám phá cấu trúc hóa học, thụ thể và não trong một hệ thống duy nhất.

Và khứu giác của côn trùng cũng liên quan đến sức khỏe con người. Chẳng hạn, muỗi đã tiến hóa để đánh hơi con người, và nhiều loài côn trùng khác thì săn mồi trên các loại cây trồng quan trọng mà con người sử dụng. Tháng 11 năm ngoái, Osmo đã công bố khoản tài trợ 3,5 triệu USD từ Quỹ Bill & Melinda Gates tại Seattle, Washington, nhằm khám phá và sản xuất các hợp chất xua đuổi, thu hút hoặc tiêu diệt côn trùng mang mầm bệnh.

Nhóm nghiên cứu của Rinberg đang hướng đến mục tiêu kết hợp khả năng phát hiện mùi của động vật với phương tiện kỹ thuật số. Họ phát triển một giao diện máy tính-mũi ở chuột, sử dụng các điện cực ghi lại tín hiệu từ hành khứu giác khi chuột ngửi các hợp chất khác nhau. Các nhà nghiên cứu có thể giải mã mùi từ hoạt động thần kinh, sau đó sử dụng các mẫu để đánh dấu các mùi này trong điều kiện tự nhiên. Thiết bị do họ phát triển – đang được một công ty khởi nghiệp có tên Canaery do Rinberg đồng sáng lập, vẫn giữ được độ chính xác của khứu giác động vật mà không cần các nhà nghiên cứu phải huấn luyện chúng. “Mũi sinh học là máy dò hóa chất tốt nhất”, Rinberg cho biết. “Khó có thể đánh bại được hệ thống tự nhiên này”.

Mặc dù mũi sinh học chiếm ưu thế, nhiều nhà khoa học vẫn mơ về một thời điểm mà cảm biến khứu giác kỹ thuật số có thể sánh ngang với các cảm biến cho các giác quan khác. “Điện thoại thông minh có thể nhận dạng hình ảnh và âm thanh”, Ruta cho biết. “Nhưng chưa có cảm biến nào như vậy cho khứu giác”.□

Thanh An – Mỹ Hạnh dịch

Nguồn: https://www.nature.com/articles/d41586-024-02833-4

Bài đăng Tia Sáng số 17/2024