Колебания от Луки

Автор: Владимир Гуриев
Опубликовано в журнале "Компьютерра" №17 от 29 апреля 2008 года
Первым искусственный мускус получил Альберт Баур, причем произошло это случайно. В 1888 году доктор Баур экспериментировал с тринитротолуолом, пытаясь найти более эффективную формулу взрывчатого вещества. В ходе этих экспериментов он получил реагент, обладающий сильным запахом мускуса и, увы, лишенный полезных свойств TNT. Биофизик Лука Турин уверен, что за прошедшие сто тридцать лет в практике парфюмерной химии особых изменений не произошло - химики, конструирующие молекулы "с запашком", по-прежнему работают наобум.

Учитывая роль, которую играет для живых существ обоняние, о запахах мы знаем удивительно мало. Как происходит распознавание запахов? Почему у одних веществ есть аромат, а у других - нет? От чего зависит запах? На все эти вопросы нет ответа, удовлетворяющего всех любопытных. Но есть несколько теорий, самая популярная из которых - стерическая теория обоняния, теория формы.

Популярность она обрела в середине двадцатого века после статей Линуса Полинга, Роберта Монкриффа и Джона Эймура. Вкратце суть теории сводилась к следующему: рецепторы запахов реагируют на форму молекулы, причем каждый рецептор "заточен" под свой тип молекул и прочие игнорирует (концепция ключа и замка). Теория выглядела правдоподобно - действительно, зачастую вещества, имеющие молекулы похожей формы, имеют сходный запах, - однако всех загадок не объясняла. Так, например, не было ответа на вопрос, почему мы можем различать тысячи, десятки тысяч, а может, и сотни тысяч запахов, если рецепторов у нас всего несколько сотен (сейчас мы знаем, что их около 350, но у Монкриффа и Эймура такой информации не было). Кроме того, было непонятно, почему молекулы, имеющие разную форму, могут пахнуть одинаково. Эти и другие противоречия (а также непригодность стерической теории к практическому предсказанию запахов) привели к тому, что в следующие тридцать лет теория была усовершенствована.

Проблему недостаточного количества рецепторов решили, предположив, что наш организм использует, образно говоря, не иероглифическую систему записи, а алфавитную: другими словами, один рецептор "считывает" не всю молекулу, а лишь часть ее; таким образом, аромат - это обработанная мозгом сумма нескольких сигналов от разных рецепторов). Сегодня слабая стерическая теория, или теория одотопов, считается основной, хотя ей все еще присущи многие недостатки теории Монкриффа и Эймура. Она по-прежнему не объясняет, почему похожие молекулы дают разные запахи, почему разные молекулы дают похожие запахи, а также почему молекулы с идентичной формой могут пахнуть по-разному. Что хуже всего - стерическая теория, даже в своей современной форме, обладает плохой предсказуемостью, из-за чего синтез парфюмерных молекул может занимать несколько лет и несколько сотен, если не тысяч итераций. Грубо говоря, химики работают вслепую.

Колебательная теория

опулярность стерической теории привела к тому, что о ее давнем сопернике - колебательной теории - к 1990-м годам успешно забыли. В середине двадцатого века она была не менее популярна, чем стерическая, однако в ней расхождений с реальностью нашлось больше; кроме того, было непонятно, как именно рецепторы получают информацию о колебаниях. Потом выяснилось, что энантиомеры пахнут по-разному, хотя частота колебаний у них одна и та же. В общем, в 1980-х идею о том, что запах зависит не от формы молекулы, а от частоты колебания атомов в ней, никто всерьез не воспринимал.

Вторым рождением колебательная теория обязана биофизику Луке Турину, который не только объяснил значительную часть несовпадений теоретических предсказаний с экспериментальными данными, но и подробно описал, как именно рецепторы получают информацию о колебаниях атомов в молекуле вещества. Согласно Турину, рецептор запаха работает как биологический туннельный спектроскоп, "обстреливающий" молекулу одоранта электронами.

В 1995 году Лука Турин написал статью и послал ее в Nature. В Nature статью после долгих раздумий все же не взяли, поэтому год спустя он опубликовал примерно тот же текст в журнале Chemical Senses и стал ждать реакции научной общественности. Общественность молчала.

Квест в Quest

Между теорией, описывающей происходящие процессы, и теорией, на основе которой можно сделать достоверные предсказания, большая разница. Однако современную парфюмерную индустрию волнуют не отвлеченные рассуждения, а алгоритм создания вещества с заданным ароматом и ответ на вопрос, каким будет аромат смоделированного на компьютере вещества. Лука Турин решил поработать с "производителями молекул". Исследователем двигали не только меркантильные соображения (хотя эксперименты, способные подтвердить или опровергнуть его теорию, - довольно дорогое удовольствие), но и желание приобщиться к обширнейшим базам данных, на которых можно было бы отточить предсказательные алгоритмы.

Он вышел на Quest, одного из крупнейших игроков на рынке ароматизаторов и парфюма (сейчас входит в состав Givaudan). Турин предложил честный, как ему казалось, обмен: он получает от Quest пары "колебания-запах" и оттачивает на них свой алгоритм, который потом передает Quest. Если Турину удастся создать алгоритм, способный существенно ускорить процесс синтеза новых молекул, это принесет Quest миллионы.

В Quest заинтересовались и предложили Турину пройти серию тестов: если он так уверен в ценности своих разработок, то наверняка сможет с их помощью решить несколько предложенных задач, каждая из которых составлена для проверки его утверждений. Турин успешно прошел три теста из четырех, и, в конце концов, был приглашен в Quest "для серьезного разговора".

Перед встречей Турин составил план исследований, согласно которому Quest соглашался финансировать лабораторию Турина в объеме 150 тысяч фунтов стерлингов в год в течение пяти лет. Бухгалтеры Quest поинтересовались у химиков, уверены ли они в том, что теория Турина сработает. Химики промолчали. А Турин пошел в Givaudan, где ему предложили очередную серию тестов, последний из которых он, как сообщили ему в Givaudan, завалил. Турин, уверенный в верности своих заключений, попросил прислать ему правильные ответы, чтобы понять, что происходит и где именно была допущена ошибка, но в Givaudan к нему интерес уже потеряли. Последним из больших производителей оказалась японская компания Takasago. Здесь Турина с пониманием выслушали и, оказав ему моральную поддержку, отправили восвояси.

Запах успеха

С 2001 года Лука Турин работает в собственной компании Flexitral. В ней он занимается рациональным дизайном молекул на основе колебательной теории. Сегодня в активе Flexitral несколько десятков патентов и девять готовых молекул, одной из которых Турин особенно гордится: это Acitral, низкоаллергенный и устойчивый заменитель цитрали. Индустрии, говорит Турин, потребовалось тридцать лет, чтобы найти подходящую замену, но сделали это не химики Guivadaun или IFF, а его компания.

Конкуренты Турина из больших компаний полагаются на эмпирические правила конструирования молекул, однако большинство этих правил имеет локальный эффект. Рациональный дизайн на основе колебательной теории - это немного другое дело. Турин утверждает, что для разработки каждой готовой молекулы ему потребовалось не больше десяти синтезов. Вся остальная работа ведется на компьютере, где просчитываются и оцениваются возможные варианты. Что думают по этому поводу в Givaudan и Takasago - неизвестно.

Но, видимо, чтобы Турин не очень задавался, в 2004 году в Nature Neuroscience вышла критическая статья, в которой сказано, что независимая экспериментальная проверка не подтверждает правильность его выкладок. Так что и в Nature он, в конце концов, попал - пусть и не самым приятным способом.
Взято отсюда-
http://www.computerra.ru/offline/2008/733/356829/