Düfte – vielversprechende Mysterien, Intrigen und verbotene Nervenkitzel – werden von Meisterparfümeuren gemischt, ihre Rezepte geheim gehalten. In einer neuen Studie über den Geruchssinn ist es Forschern des Weizmann-Instituts der Wissenschaften gelungen, selbst komplexen Duftmischungen einen Großteil des Geheimnisses zu entreißen, und zwar nicht, indem sie ihre geheimen Inhaltsstoffe aufgedeckt haben, sondern indem sie aufgezeichnet und kartografiert haben, wie sie wahrgenommen werden.

Die Wissenschaftler können nun allein anhand der Molekularstruktur vorhersagen, wie ein komplexer Duftstoff riechen wird. Diese Studie könnte nicht nur die geschlossene Welt der Parfümerie revolutionieren, sondern letztendlich dazu führen, dass Gerüche auf Kommando digitalisiert und reproduziert werden können.

“Die Herausforderung, Gerüche in einer organisierten und logischen Weise darzustellen, wurde erstmals vor über 100 Jahren von Alexander Graham Bell vorgeschlagen”, sagt Prof. Noam Sobel von der Neurobiologie-Abteilung des Instituts.

Bell warf den Fehdehandschuh hin: “Wir haben sehr viele verschiedene Arten von Gerüchen, vom Veilchen- und Rosenduft bis hin zu Asafötida. Aber solange man ihre Ähnlichkeiten und Unterschiede nicht messen kann, kann man keine Wissenschaft über Gerüche betreiben.” Diese Herausforderung war bis heute ungelöst.

Diese Jahrhunderte alte Herausforderung machte in der Tat die Schwierigkeit deutlich, Gerüche in ein logisches System einzupassen: Es gibt Millionen von Geruchsrezeptoren in unseren Nasen, die aus Hunderten von verschiedenen Untertypen bestehen, von denen jeder so geformt ist, dass er bestimmte molekulare Merkmale erkennt. Unser Gehirn nimmt potenziell Millionen von Gerüchen wahr, in denen diese einzelnen Moleküle in unterschiedlicher Intensität vermischt und vermengt sind.

Daher war die Kartierung dieser Informationen eine Herausforderung. Doch Sobel und seine Kollegen, angeführt von den Doktoranden Aharon Ravia und Dr. Kobi Snitz, fanden heraus, dass Gerüche einer bestimmten Ordnung unterliegen. Sie kamen zu dieser Schlussfolgerung, indem sie das Konzept von Bell übernahmen – nämlich nicht die Gerüche selbst zu beschreiben, sondern vielmehr die Beziehungen zwischen Gerüchen, wie sie wahrgenommen werden. Die Idee eines Atlas der Düfte lag auf der Hand.

Das “Atlas” der Düfte

In einer Reihe von Experimenten stellte das Team freiwilligen Teilnehmern Duftpaare vor und bat sie, diese Gerüche danach zu bewerten, wie ähnlich sie einander zu sein schienen, wobei die Paare auf einer Ähnlichkeitsskala von “identisch” bis “extrem unterschiedlich” eingestuft wurden.

Im anfänglichen Experiment stellte das Team 14 aromatische Mischungen her, die jeweils aus etwa 10 molekularen Komponenten bestanden, und präsentierte sie jeweils zwei auf einmal fast 200 Freiwilligen, so dass am Ende des Experiments jeder Freiwillige 95 Paare bewertet hatte.

Um die resultierende Datenbank mit Tausenden von berichteten Bewertungen der Ähnlichkeit in der Wahrnehmung in ein nützliches Layout zu übersetzen, verfeinerte das Team eine physikalisch-chemische Messung, die es zuvor entwickelt hatte.

Bei dieser Berechnung wird jedes Odoriermittel durch einen einzigen Vektor dargestellt, der 21 physikalische Maße (Polarität, Molekulargewicht usw.) kombiniert. Um zwei Odoriermittel zu vergleichen, die jeweils durch einen Vektor repräsentiert werden, wird der Winkel zwischen den Vektoren genommen, um die Ähnlichkeit der Wahrnehmung zwischen ihnen widerzuspiegeln.

Ein Paar von Odoriermitteln mit einem geringen Winkelabstand zwischen ihnen wird als ähnlich vorhergesagt, diejenigen mit einem hohen Winkelabstand zwischen ihnen als unterschiedlich.

Winkelabstände der Gerüche

Um dieses Modell zu testen, wandte das Team es zunächst auf Daten an, die von anderen gesammelt wurden, in erster Linie auf eine große Studie zur Geruchsdiskriminierung von Bushdid und Kollegen aus dem Labor von Prof. Leslie Vosshall am Rockefeller-Institut in New York. Das Weizmann-Team stellte fest, dass ihr Modell und ihre Messungen die Ergebnisse von Bushdid genau vorhersagten: Gerüche mit einem geringen Winkelabstand zwischen ihnen waren schwer zu unterscheiden; Gerüche mit einem hohen Winkelabstand zwischen ihnen waren leicht zu diskriminieren. Ermutigt durch das Modell, das von anderen gesammelte Daten genau vorhersagte, fuhr das Team fort, selbst zu testen.

Das Team stellte neue Düfte zusammen und lud eine frische Gruppe von Freiwilligen ein, diese zu riechen, wobei sie wiederum ihre Methode benutzten, um vorherzusagen, wie diese Gruppe von Teilnehmern die Paare bewerten würde – zunächst 14 neue Mischungen und dann, im nächsten Experiment, 100 Mischungen.

Das Modell funktionierte ausserordentlich gut. Tatsächlich lagen die Ergebnisse in der gleichen Größenordnung wie die der Farbwahrnehmung – sensorische Informationen, die auf wohldefinierten Parametern beruhen. Dies war besonders überraschend, wenn man bedenkt, dass jedes Individuum wahrscheinlich über ein einzigartiges Komplement von Geruchsrezeptor-Subtypen verfügt, die bei jedem Individuum um bis zu 30% variieren können.

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