Vì sao hình dạng phân tử chưa đủ để đoán mùi hương?

Trong một thí nghiệm, 49 người đã ngửi và đánh giá 476 hóa chất riêng lẻ. Từ cấu trúc của những phân tử này, các thuật toán có thể dự đoán khá tốt một số nhóm mùi như trái cây, gia vị, cháy hay tỏi, nhưng lại chật vật với mùi gỗ, xạ hương và mùi giống nước tiểu. Kết quả hé lộ câu trả lời quan trọng: cấu trúc hóa học thực sự định hướng những gì mũi người cảm nhận, song mối liên hệ ấy không đơn giản theo kiểu mỗi hình dạng tương ứng với một mùi cố định. [1]

Hai phân tử có hình dạng gần giống nhau vẫn có thể mang mùi rất khác; ngược lại, những phân tử trông chẳng giống nhau có lúc lại gợi cảm giác tương tự. Vì thế, dự đoán mùi không chỉ là tìm một nét hình học nổi bật. Bài toán còn liên quan đến kích thước phân tử, sự phân bố điện tích, các nhóm nguyên tử và cách con người phân loại cảm giác thành những từ như “ngọt”, “cháy” hay “mùi gỗ”. [1]

Mùi được biến thành dữ liệu như thế nào?

Nhóm khoa học cảm giác tại Rockefeller University đề nghị 49 tình nguyện viên đánh giá từng hóa chất theo cường độ và mức dễ chịu. Người tham gia còn phân loại chúng bằng 19 từ mô tả, trong đó có mùi cá, chua, mồ hôi, bánh nướng và phân hủy. Song song với phần cảm nhận, nhóm nghiên cứu lập bản mô tả hình học hóa học của từng phân tử, bao gồm cả danh tính của các nguyên tử cấu thành. [1]

Cách làm này tạo ra hai bộ thông tin có thể đặt cạnh nhau: một bên là cấu trúc phân tử, bên kia là phản ứng của người ngửi. Mục tiêu không phải yêu cầu máy tính tự “ngửi”, mà là tìm những mẫu lặp lại trong dữ liệu. Nếu nhiều phân tử cùng có một đặc điểm hóa học và thường được con người xếp vào cùng nhóm mùi, thuật toán có thể nhận ra mối tương quan đó. [1]

Mười tám đội tham gia thử thách phân tích trên nền tảng DREAM Challenges. Các mô hình của University of Michigan và Arizona State University cho kết quả chính xác nhất, sau đó thông tin từ các đội được tập hợp để khảo sát sâu hơn quan hệ giữa cấu trúc và cảm nhận mùi. Đây là bài toán nhận dạng mẫu: máy tính học từ những trường hợp đã có đánh giá thay vì dựa vào một quy tắc hóa học duy nhất áp dụng cho mọi chất. [1]

Đặc điểm nào liên quan đến cường độ mùi?

Một xu hướng tương đối rõ là các phân tử nhỏ thường tạo cảm giác mùi mạnh hơn các phân tử lớn trong tập hóa chất được thử nghiệm. Những phân tử có nhóm phân cực, tức vùng mang sự chênh lệch điện tích dương và âm rõ, cũng thường được đánh giá là có mùi mạnh hơn. Bài viết nêu phenol, enol và carboxyl làm các ví dụ về nhóm phân cực liên quan đến xu hướng này. [1]

Phát hiện đó không đồng nghĩa chỉ cần biết kích thước là có thể đoán đầy đủ một mùi. Cường độ trả lời câu hỏi mùi mạnh đến đâu, còn đặc tính như mùi trái cây, tỏi hay xạ hương trả lời mùi giống điều gì. Một phân tử có thể dễ dự đoán về độ mạnh nhưng vẫn khó xếp đúng nhóm cảm giác. Việc tách hai câu hỏi giúp tránh coi “mùi mạnh” như một loại hương cụ thể. [1]

Khi nào thuật toán đoán đúng loại mùi?

Trong số các trường hợp được khảo sát, máy tính dự đoán dễ nhất mùi của 3-methyl-cyclohexanone, được mô tả là giống long não, và ethyl heptanoate, có mùi nho ngọt. Ở cấp độ nhóm mô tả, mùi trái cây, gia vị, cháy và tỏi thuộc nhóm tương đối dễ đoán. Điều này cho thấy một số cảm giác có dấu hiệu cấu trúc đủ nhất quán để thuật toán nhận ra trong tập dữ liệu. [1]

Mối liên hệ với mùi tỏi là một ví dụ đáng chú ý. Sự hiện diện của nguyên tử lưu huỳnh có tương quan mạnh với mô tả này. Tellurium nằm gần lưu huỳnh trong bảng tuần hoàn, và các hợp chất của hai nguyên tố này có thể được mũi diễn giải theo cách tương tự. Đây là một quan hệ hóa học giúp giải thích mẫu quan sát được, chứ không phải quy tắc rằng mọi phân tử chứa lưu huỳnh đều chỉ có một mùi duy nhất. [1]

Nhóm nghiên cứu còn nhận thấy các phần nhỏ trong phân tử lớn, phức tạp dường như không tương tác mạnh với nhau về mặt tạo mùi. Mỗi phần đóng góp khá độc lập, khiến mùi tổng thể gần với sự cộng lại của các phần đó. Nếu xu hướng này áp dụng cho một phân tử, thuật toán có thể chia bài toán phức tạp thành những đặc điểm nhỏ hơn để tìm mẫu. [1]

Vì sao các phân tử giống nhau vẫn có thể khác mùi?

Hình dạng tổng quát không chứa toàn bộ thông tin hóa học mà thuật toán cần xem xét. Hai phân tử nhìn gần giống nhau vẫn có thể khác về loại nguyên tử, vị trí nhóm phân cực hoặc cách các bộ phận góp phần vào mùi. Ngược lại, hai cấu trúc khác nhau có thể cùng mang một dấu hiệu khiến người ngửi chọn chung một từ mô tả. Vì vậy, “giống hình” và “giống mùi” không phải hai tiêu chí luôn đi cùng nhau. [1]

Khó khăn còn nằm ở chính ngôn ngữ cảm giác. Mười chín từ mô tả là những nhóm rộng, không phải phép đo trực tiếp một đặc tính duy nhất của phân tử. L-cysteine, được mô tả là hơi giống trứng thối, nằm trong số những chất khó dự đoán. Xét toàn bộ danh sách, thuật toán liên kết cấu trúc với mùi dễ dàng ở 8 nhóm mô tả, trong khi 11 nhóm còn lại vẫn khó giải thích. [1]

Khác biệt giữa người với người cũng làm bài toán phức tạp hơn. Mức dễ chịu và cường độ cảm nhận có thể thay đổi theo gene hoặc văn hóa. Cùng một phân tử và cùng một cấu trúc, nhưng đánh giá của các tình nguyện viên không nhất thiết hoàn toàn đồng nhất. Thuật toán vì thế phải tìm xu hướng giữa nhiều câu trả lời chủ quan, thay vì đối chiếu với một nhãn mùi tuyệt đối. [1]

Tại sao mùi đời thực còn khó đoán hơn?

Thí nghiệm sử dụng 476 chất, mỗi chất là một phân tử riêng lẻ. Trong đời sống, một mùi thường gồm hàng chục, thậm chí hàng trăm hóa chất dễ bay hơi cùng đi vào mũi và tương tác. Mô hình dự đoán tốt một phân tử chưa đương nhiên dự đoán được cả hỗn hợp, bởi số thành phần và quan hệ giữa chúng làm không gian khả năng tăng lên rất nhiều. [1]

Dù còn giới hạn, kết quả cho thấy dự đoán mùi từ cấu trúc không phải mục tiêu bất khả thi. Máy tính đã tìm được những dấu hiệu liên quan đến cường độ và một số nhóm mùi, đồng thời chỉ ra chính xác những vùng còn khó đoán. Với nhà nghiên cứu khứu giác, người làm nước hoa hay hóa học thực phẩm, hướng tiếp cận này có thể giảm phần nào việc phải thử lần lượt từng phân tử khi tìm kiếm một mùi mong muốn. [1]

Điều đáng nhớ là mùi không nằm trong một đường nét đơn độc của mô hình phân tử. Nó xuất hiện từ nhiều đặc điểm hóa học cùng lúc, rồi tiếp tục được hệ cảm giác của từng người phân loại. Bởi vậy, chiếc mũi vừa là nơi nhận tín hiệu hóa học, vừa là phần khiến việc chuyển cấu trúc thành một từ mô tả trở nên đặc biệt khó. [1]