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Nov 27, 2023

Dieses Startup nutzt KI, um neue Gerüche zu entdecken

Emily Mullin Alex Wiltschko öffnet einen schwarzen Plastikkoffer und zieht herum

Emily Mullin

Alex Wiltschko öffnet einen schwarzen Plastikkoffer und holt etwa 60 Glasfläschchen heraus. Jedes enthält einen anderen Duft. Man riecht stärkehaltig mit sanften Blumennoten, wie beim Kochen von Jasminreis. Ein anderes erinnert an Meeresluft und die weiße Schale einer Wassermelone. Einer ist wie Safran mit einem Hauch von Leder und schwarzem Tee. Als nächstes kommt der scharfe Duft von Feigenblättern, Buchsbaum und Basilikum. Die überraschendste Sorte hat den Geschmack einer thailändischen Chilischote ohne die brennende Hitze in der Nase.

Die Moleküle, die in meine Nase strömen, sind mit nichts vergleichbar, was ich jemals zuvor gerochen habe. Tatsächlich bin ich einer der wenigen Menschen, die sie jemals gerochen haben. Und doch, bevor irgendjemand daran gerochen hatte, sagte ein Computermodell voraus, wie sie für uns riechen würden.

Wiltschko ist seit seiner Jugend von Düften besessen und entwickelt seit einigen Jahren bei Google Research Software, um den Geruch von Molekülen allein anhand ihrer Struktur vorherzusagen. Die Fläschchen, an denen er mich zum Riechen eingeladen hat, sind die Grundlage seines neuen Startups Osmo, einem Spinout von Google Research mit Sitz in Cambridge, Massachusetts. Mit 60 Millionen US-Dollar in einer ersten Finanzierungsrunde unter der Leitung von Lux Capital und GV (Google Ventures) aus New York möchte Osmo die nächste Generation von Aromamolekülen für Parfüme, Shampoos, Lotionen, Kerzen und andere Alltagsprodukte entwickeln.

Die globale Parfümindustrie mit einem Umsatz von 30 Milliarden US-Dollar ist auf Rohstoffe angewiesen, deren Beschaffung immer schwieriger oder umstrittener wird. Die Vorräte an Blumen, die in der Parfümerie beliebt sind, gehen aufgrund der durch den Klimawandel verursachten extremen Wetterbedingungen zur Neige. Arten wie Sandelholzbäume sind durch Überernte gefährdet. Andere Zutaten wie Safran oder Vetiver sind aufgrund geopolitischer Unruhen anfällig für Unterbrechungen der Lieferkette. Einige Marken verwenden immer noch Moschus und andere Gerüche von Tieren, was ethische Probleme aufwirft, da diese eingefangen oder getötet werden müssen. Unterdessen drohen einigen synthetischen Alternativen, wie z. B. Lilial, das nach Maiglöckchen riecht, aus Sicherheitsgründen behördliche Verbote.

Chemiker von Duftstoffherstellern haben herausgefunden, wie man einige natürliche Aromen nachbilden kann, aber es ist immer noch ein größtenteils manueller Prozess, und viele Düfte enthalten keine synthetischen Ersatzstoffe. „Wir müssen Ersatz bauen. Andernfalls müssen wir diese Pflanzen und Tiere weiterhin aus unserem Ökosystem ernten“, sagt Wiltschko, Mitbegründer und CEO von Osmo, der während seiner Zeit bei Google Research das digitale Olfaction-Team leitete . „Es besteht eine große Chance, sichere, nachhaltige und erneuerbare Inhaltsstoffe zu entwickeln, für die wir kein Leben ernten müssen.“

Kurzfristig möchte das Unternehmen Moleküle für die Geschmacks- und Duftstoffindustrie entwickeln, die wirksam, allergenfrei und biologisch abbaubar sind. „Wir betrachten Osmo als ein Geschäftsmodell mit rationalem Design, bei dem die Menschen einen ganz bestimmten Geruch wollen und wir die Chemikalien entwerfen, so wie man in einem Biotech- oder Pharmaunternehmen ein Medikament entwickeln und diese dann lizenzieren könnte“, sagt Josh Wolfe, a geschäftsführender Gesellschafter bei Lux Capital und Mitbegründer von Osmo. Langfristig möchte das Unternehmen Computern einen Geruchssinn verleihen – den Geruch „digitalisieren“ – obwohl dieses Konzept noch nicht so weit fortgeschritten ist und vor einigen großen technischen Herausforderungen steht.

Lauren Goode

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Julian Chokkattu

Will Knight

Das olfaktorische System wird nicht so gut verstanden wie unsere anderen Sinne, aber das liegt daran, dass es wohl komplexer ist, sagt Joel Mainland, ein olfaktorischer Neurowissenschaftler am Monell Chemical Senses Center in Philadelphia, der mit Wiltschkos Olfaktionsteam bei Google Research zusammengearbeitet hat, dies aber nicht ist an Osmo beteiligt.

Die Fähigkeit, Gerüche zu erkennen – gebackenes Brot, Gras nach dem Regen, Zigarettenrauch oder das Parfüm Ihrer Großmutter – beginnt, wenn diese Duftmoleküle durch die Luft schweben, in Ihre Nase eindringen und sich an Geruchsrezeptoren binden, die über den Geruchssinn Informationen an das Gehirn weiterleiten Nerv. Die menschliche Nase verfügt über etwa 400 Arten von Rezeptoren, also spezielle Sensorproteine. Im Vergleich dazu verwendet das Auge drei Arten von Rezeptoren, um das Sehen zu erzeugen, und wir schmecken mit etwa 40 Arten von Rezeptoren.

Diese Komplexität macht es schwieriger, Düfte zu kategorisieren als andere Wahrnehmungserlebnisse. Farben können durch einen Farbverlauf dargestellt werden, der als Farbrad bezeichnet wird, und Töne durch die Frequenz ihrer Wellen. Für Gerüche gibt es nichts Vergleichbares. „Im Moment brauchen wir eine Möglichkeit zu verstehen, wie Gerüche miteinander zusammenhängen“, sagt Mainland. „Wir haben keine gute Möglichkeit, Gerüche zu organisieren.“

Deshalb arbeitete Wiltschkos Google-Team daran, eine sogenannte „Geruchskarte“ zu erstellen – eine Möglichkeit, Düfte zu kategorisieren, sodass gleich riechende Moleküle zu Clustern zusammengefasst werden. Doch anstatt sich bei der Unterscheidung auf die menschliche Nase zu verlassen, nutzten sie künstliche Intelligenz.

Sie begannen damit, einer Software für maschinelles Lernen einen Datensatz von 5.000 Duftmolekülen zuzuführen, die in Duftkatalogen verfügbar waren – alles Gerüche, die häufig verwendet und gut beschrieben wurden. Ist der Duft zum Beispiel fruchtig, buttrig, holzig? Anhand dieses Trainingssatzes begann die Software, Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur jedes Geruchsmoleküls und der Art und Weise, wie ein Mensch es beschreiben würde, zu erkennen und erstellte eine hochdimensionale Geruchskarte, die die Moleküle anhand dieser Eigenschaften gruppierte. „Es klingt nach einem einfachen Problem, aber kleine Veränderungen in der Struktur eines Moleküls können dazu führen, dass es nicht mehr nach Rosen riecht, sondern nach faulen Eiern riecht“, sagt Wiltschko. Beispielsweise können die chemischen Bindungen oder die Anzahl der Kohlenstoffatome in einem Molekül dessen Geruch beeinflussen.

Dann gaben sie der Software einen geheimnisvolleren Datensatz zum Parsen: 400 Moleküle, die von Wissenschaftlern entworfen, aber nie hergestellt worden waren, sodass ihre Gerüche unbeschrieben blieben. Sie baten das Modell, vorherzusagen, wie jedes Molekül für Menschen riechen würde – allein auf der Grundlage seiner Struktur.

Um zu testen, wie gut diese Vorhersagen zutrafen, baten Mainland und seine Kollegen von Monell eine Gruppe von 15 Freiwilligen, jeden Geruch zu schnüffeln und ihm Etiketten zuzuordnen: blumig, minzig, rauchig usw. Die Diskussionsteilnehmer waren nicht immer einer Meinung; Der Geruchssinn ist subjektiver als viele andere Sinne. Aber bei 53 Prozent der Düfte lagen die Vorhersagen des Modells näher am Paneldurchschnitt als bei jedem einzelnen Freiwilligen.

Das Team habe das als Erfolg gewertet, obwohl das System einige Einschränkungen habe, sagt Wiltschko. Beispielsweise können zwei Moleküle Spiegelbilder voneinander sein, aber unterschiedlich riechen. „Die Gerüche sind nicht immer radikal unterschiedlich, aber sie sind subtil unterschiedlich, und unser neuronales Netzwerk ist dafür völlig blind“, sagt er.

Lauren Goode

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Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse im September auf dem Preprint-Server bioRxiv und der Artikel wird derzeit von einer Fachzeitschrift begutachtet.

„Eine Sache, die wir in der Geruchswissenschaft tun wollen, ist zu verstehen, wie Menschen Gerüche wahrnehmen“, sagt Krishnan Padmanabhan, ein Geruchsneurowissenschaftler an der University of Rochester School of Medicine, der nicht an Osmo beteiligt ist. Er sagt, die Geruchskarte der Gruppe zeige einen Weg, dies zu erreichen. „Es ist wirklich beeindruckend, was sie erreicht haben.“

Die Glasfläschchen, die Wiltschko mich riechen ließ, enthielten die gleichen Düfte, die auch die Monell-Diskussionsteilnehmer gerochen hatten. Er sagt, Osmo sei in aktiven Gesprächen mit mehreren Parfümherstellern, um einige davon zu lizenzieren.

„Einige neuartige Düfte sind kommerziell rentabler als andere“, sagt Christophe Laudamiel, ein französischer Meisterparfümeur, der als Berater des Unternehmens fungiert und mich über Zoom geführt hat, als ich die verschiedenen Düfte gerochen habe. (Laut International Flavors & Fragrances mit Sitz in New York, einem der großen Unternehmen, das neue Düfte kreiert, gibt es weltweit nur 600 Parfümeure.) Es gibt beispielsweise nur sehr wenige Moleküle, die nach Meer riechen, sagt Laudamiel: Daher wäre ein neuer Meeresduft äußerst wünschenswert. Er ist sich nicht sicher, wie die Duftindustrie die Chilischote verwenden würde, aber er könnte sich vorstellen, dass sie zum Aromatisieren von Lebensmitteln verwendet wird.

„Die Branche ist sehr klein und es gibt nur wenige Unternehmen, die sich auf die Suche nach neuen Molekülen gemacht haben“, sagt er. „Es braucht viel Zufall, um ein neues Molekül mit einem neuen Duft zu finden.“

Und die Ausfallquote ist hoch. Diese Moleküle müssen nicht nur gut riechen, sondern auch sicher und biologisch abbaubar sein. Unternehmen testen möglicherweise tausend Moleküle pro Jahr, nur um einige auf den Markt zu bringen, die alle diese Kriterien erfüllen. Als Wiltschko ihm die Moleküle schickte, die Osmo geschaffen hatte, sagte Laudamiel: „Man merkt, dass man ein alternatives Universum an Parfüminhaltsstoffen geschaffen hat.“

Wiltschko glaubt, dass Osmos Technologie noch ein weiteres Problem lösen kann: die Entwicklung eines besseren Mückenschutzmittels.

Nach Angaben der Weltgesundheitsorganisation sind durch Mücken übertragene Krankheiten wie Malaria und Dengue-Fieber jährlich für mehr als 700.000 Todesfälle verantwortlich. Weibliche Mücken ernähren sich von menschlichem Blut und werden vom Geruch der Haut angezogen. Die meisten chemischen Abwehrmittel, einschließlich DEET, das als Goldstandard gilt, funktionieren, indem sie die Geruchssignale der Mücken verwirren und sie so daran hindern, ihr nächstes Ziel zu finden.

Aber DEET hat einige Nachteile. Es muss in hohen Konzentrationen verwendet werden, es kann Plastik zersetzen und Hautreizungen verursachen. Es ist auch möglich, dass Mücken eine Resistenz gegen DEET entwickeln, wie sie es auch gegen andere Chemikalien getan haben, sagt Chris Potter, ein Neurowissenschaftler an der Johns Hopkins University, der das Riechsystem von Mücken untersucht. „Ich denke, es gibt einen guten Grund, nach zusätzlichen Abwehrmitteln zu suchen“, sagt Potter, der nicht mit Osmo zu tun hat. „Wir brauchen immer einen Ersatz.“ Im Jahr 2020 genehmigte die Environmental Protection Agency das erste neue Abwehrmittel seit 11 Jahren – eine natürlich vorkommende Chemikalie namens Nootkaton, die der Grapefruit ihren charakteristischen Duft verleiht. Aber Wiltschko und sein Team bei Google dachten, sie könnten ihr maschinelles Lernsystem nutzen, um neue zu finden. Zunächst benötigten sie einen großen Datensatz von Duftmolekülen, damit sie ihr Modell trainieren konnten, um die Zusammenhänge zwischen der Struktur einer Verbindung und ihrer Wirksamkeit als Abwehrmittel zu erkennen. Sie konnten jedoch nur ein paar Dutzend Mückenschutzmittel finden, die in der neueren wissenschaftlichen Literatur beschrieben sind. So machte Wiltschko einem Bericht der US-Regierung aus den 1940er-Jahren auf die Spur, in dem Wissenschaftler rund 19.000 Verbindungen auf ihre Wirksamkeit testeten. Diese Bemühungen ordneten diese Verbindungen danach, wie gut sie wirkten, und führten zur Entdeckung von DEET. Wiltschko und sein Team digitalisierten den Datensatz und trainierten anschließend ihre Algorithmen darauf.

Lauren Goode

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Wie schon beim Duftexperiment haben sie ihr Modell mit 400 neuartigen Molekülen ausgestattet, die noch nicht auf ihre Abwehrwirkung getestet wurden. In diesem Fall baten sie das Modell, anhand der chemischen Struktur jedes einzelnen Modells vorherzusagen, welches funktionieren würde. Von diesen wählten sie 317 für das Screening mit einem Standard-Labortest aus. Es zeigte sich, dass mehr als 10 von ihnen eine ähnliche oder höhere Abwehrwirkung aufwiesen als DEET und andere derzeit verwendete Chemikalien.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in einem Vorabdruck auf bioRxiv, das Papier wurde jedoch noch nicht von Experten begutachtet. Als nächstes plant Osmo laut Wiltschko, diese Moleküle auf Hautsicherheit und biologische Abbaubarkeit zu testen.

Potter ist von der Methode des Teams beeindruckt. „Es hat diese Daten freigesetzt, auf denen wir so lange gesessen haben“, sagt er. „Jetzt haben wir diese tolle Liste, mit der wir arbeiten können. Es lohnt sich, einen genaueren Blick auf diese Chemikalien zu werfen.“

Für Wiltschko und Wolfe sind maßgeschneiderte Duftmoleküle und neue Abwehrmittel erst der Anfang – sie haben es sich zur Aufgabe gemacht, Computern einen Geruchssinn zu verleihen. Sie glauben, dass KI uns der digitalen Geruchswahrnehmung näher bringen kann, indem sie vorhersagt, wie Gerüche riechen und wie sie mit anderen Düften in Beziehung stehen. „Die langfristige Vision ist ‚Shazam‘ für Geruch“, wie Wolfe es ausdrückt. So wie man eine App verwenden kann, um das Lied zu identifizieren, das im Radio läuft, sollte man nach Wolfe auch in der Lage sein, Düfte mit dem Telefon zu erfassen, zu speichern und zu übertragen.

Aber das ist ein schwieriges Problem. Während ein Telefon für die Übertragung von Schall ausgelegt ist, ist es nicht für die Übertragung von Chemikalien ausgelegt. Ein solches Gerät müsste Duftmoleküle sammeln, sie in eine digitale Signatur umwandeln und das Signal an das Telefon oder den Computer einer anderen Person weiterleiten, wo es dekodiert würde. Dann bräuchten sie eine Art chemisches Freisetzungsgerät, um dieses Signal wieder in einen inhalierbaren Duft umzuwandeln.

Und Osmo hat noch keine genauen Angaben dazu gemacht, wie man an die Digitalisierung des Geruchs herangehen würde, obwohl Wiltschko die Grundidee dargelegt hat. „Sie benötigen drei Teile: einen Sensor, eine Karte und einen Drucker. Der Sensor nimmt die physische Welt und wandelt Atome in Bits um. Die Karte hilft Ihnen, die Bits zu interpretieren, zu speichern, zu komprimieren und zu übertragen. In Farbe sind dies Technologien wie „RGB und JPEG. Dann müssen Sie in der Lage sein, die Bits wieder in Atome umzuwandeln“, sagt Wiltschko. „Wir glauben, dass es jetzt an der Zeit ist, all dies zusammenzustellen.“

Das Unternehmen hat noch keine Sensoren gebaut, um Gerüche in digitale Signale umzuwandeln – oder Geräte zum „Drucken“ von Gerüchen übrigens –, aber Wiltschko sagt, dass sie dabei mit externen Forschern zusammenarbeiten. Wiltschko nennt das Problem „lächerlich schwer“ und sagt, es werde Jahre dauern.

Tatsächlich versuchen die Menschen es schon seit Jahrzehnten. DigiScents iSmell, eine über USB angeschlossene Kassette für Desktop-Computer, wurde 1999 auf den Markt gebracht. Sie sollte online gesammelte Duftdaten kodieren und dann wiedergeben, und WIRED behauptete, sie würde „die nächste Web-Revolution auslösen“. Doch 2001 musste das Unternehmen aus Geldmangel geschlossen werden.

Im Jahr 2014 brachte Vapor Communications das oPhone auf den Markt, ein Gerät, das eine Verbindung zu einem iPhone oder iPad herstellt, um Benutzern das Versenden von Düften mit Nachrichten zu ermöglichen. Im Jahr 2016 stellte das Unternehmen außerdem einen „Duftlautsprecher“ namens Cyrano vor, der es Menschen ermöglichte, Duftsequenzen abzuspielen, ähnlich einer Playlist für Gerüche. Keines dieser Produkte ist noch auf dem Markt.

Lauren Goode

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Julian Chokkattu

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Zuletzt versuchte das Technologie-Startup Feelreal, Duftstoffe in ein Virtual-Reality-Headset zu integrieren, geriet jedoch in einen regulatorischen Konflikt mit der Food and Drug Administration, weil die Behörde es als E-Zigaretten-Produkt betrachtete. Das Headset muss noch zum Verbraucher gelangen.

Warum überhaupt versuchen, Gerüche zu digitalisieren? Für Wiltschko und Wolfe liegt es daran, dass Gerüche die außergewöhnliche Fähigkeit haben, Erinnerungen auszulösen. „Es ist uns nicht gelungen, unseren wohl evolutionär hervorstechendsten Sinn zu erfassen, nämlich unseren Geruchssinn“, sagt Wolfe. „Wir haben diesen Sinn entwickelt, um Gefahren abzuwehren, geliebte Menschen zu erkennen, verdorbenes Essen zu riechen und die Schönheit der Welt zu genießen, und es ist schwierig, diese Dinge mit Menschen zu teilen, es sei denn, jemand anderes ist da.“

Zunächst werden sie versuchen, die Parfümindustrie aufzurütteln, indem sie bestehende Düfte nachbilden und neue Düfte entdecken. Während Wiltschko die Duftfläschchen wieder in den Koffer verstaut, überlege ich, ob ich einen der von mir probierten Osmo-Düfte tragen möchte. Eine davon war rosa mit Hyazinthen und frischem Grün. Mein übliches Parfüm, ein Rosenduft einer französischen Marke, ist im Preis stetig gestiegen und sein Aroma hat sich im Laufe der Jahre verändert. Als ich einmal im Laden war, fragte ich nach dem Grund: Das Problem sei die Lieferkette für Rosen.

Wenn ich eine Alternative finden könnte, würde ich vielleicht wechseln.