Riechchip: Ausgeschnüffelt
Einer chemischen Formel lässt sich ihr Geruch nicht ansehen. Das wollen Forscher ändern, um neue Düfte zu erschaffen. Ein US-Start-up benutzt dafür einen Biochip, andere Forscher setzen auf Algorithmen und Computermodelle.
- Simone Hörrlein
Bei Lichtstrahlen gibt es Kameras, um das menschliche Auge zu ersetzen. Für Gerüche aber gibt es nach wie vor nur die menschliche Nase. Denn Gerüche und Aromen sind meist komplexe Mischungen verschiedener chemischer Verbindungen, und erst die Verarbeitung in der Nase erzeugt ein typisches Geruchsprofil. Bisher gab es keine Möglichkeit, solch ein Profil einzufangen. Geht es um das Aroma einer duftenden Tasse Kaffee oder das Bouquet eines Rotweins, existiert kein Chip, der aus der chemischen Zusammensetzung den Duft errechnet. Doch das könnte sich ändern. Denn weltweit arbeiten Wissenschaftler an künstlichen Nasen, die Geruchsprofis schon bald arbeitslos machen könnten.
Die Meisterleistung unserer Nase haben die US-Wissenschaftler Richard Axel und Linda Buck entdeckt und im Jahr 2004 für ihre Arbeiten zum Geruchssinn den Nobelpreis für Medizin/Physiologie erhalten. Dieses Wissen inspirierte Chris Hanson, der 2013 im kalifornischen Palo Alto die Firma Aromyx gründete. Sie entwickelte einen Biochip, der schon bald die Funktion der menschlichen Nase in der Aroma- und Duftstoffforschung übernehmen könnte. Während Farbe und Ton längst digitalisiert seien, würden Geschmack und Geruch noch immer vollkommen unwissenschaftlich beschrieben: "Das schmeckt schokoladig", heiße es, oder "das riecht nach Knoblauch", klagt Aromyx-Geschäftsführer Hanson, der in Stanford Russisch studiert und anschließend für die Nasa, das amerikanische Militär und IBM gearbeitet hat.
EssenceChip nennt Hanson seine virtuelle Nase: Sie basiert auf den Erkenntnissen der Nobelpreisträger, dass Rezeptoren im menschlichen Riechorgan für das Erkennen von Geruchsmolekülen verantwortlich sind. Wie kleine Antennen ragen sie aus der Zellmembran der Geruchszellen heraus. Riechen wir an frischen Erdbeeren, so binden deren Geruchsmoleküle an die passenden Rezeptoren und führen zu einer Strukturänderung. Diese stößt im Inneren der Zelle eine Reaktionskette an, an deren Ende ein Botenstoff mit dem sperrigen Namen Adenosinmonophosphat, kurz cAMP, steht. Sammelt sich genug Botenstoff in der Zelle an, kommt es zur Weiterleitung der Geruchssignale ins Gehirn. Erst dort wird der Geruch frischer Erdbeeren wahrgenommen.
Hanson hat diese Abläufe des menschlichen Riechvorgangs in seinen Chip gepackt. Auf den ersten Blick sieht er aus wie eine normale Mikrotiterplatte aus einem Diagnostiklabor mit 384 Vertiefungen für chemische Reaktionen. Doch das Innenleben macht den Unterschied. Fünf Geschmacks- und 365 Geruchsrezeptoren hat das Aromyx-Team in je eine der Vertiefungen des Biochips gepackt. Ebenfalls auf die Platte gebannt ist das gesamte an der Geruchserkennung in der Nase beteiligte biochemische Arsenal sowie ein kompliziertes Messverfahren. Wie dieser Kunstgriff genau gelungen ist, sei allerdings ein Firmengeheimnis, sagt der bei Aromyx für Verkauf und Marketing zuständige Todd Cushman.
Wird der EssenceChip einem Geruch ausgesetzt, soll exakt das Gleiche ablaufen wie in der menschlichen Nase. "Die für den Geruch verantwortlichen Moleküle docken an passende Geruchsrezeptoren in den Vertiefungen des Chips an, und am Ende entsteht der Botenstoff cAMP", sagt Bill Harries, Zellbiologe und wissenschaftlicher Leiter des Start-ups. Seine Konzentration lässt sich zum Nachweis nutzen. Fluoreszierende Farbstoffmoleküle interagieren dafür mit den Botenstoffmolekülen, und die Farbstoffkonzentration erlaubt somit Rückschlüsse auf die Menge der Duftstoffmoleküle.
Dass der Biochip die Duftstoffindustrie revolutionieren, Chemikern und Sensorikern die Arbeit erleichtern und Firmen eine Menge Geld sparen wird, davon ist Hanson überzeugt. Und er könnte recht behalten. Denn noch immer müssen Unternehmen zur Entwicklung eines Aromas, beispielsweise dem von frisch gebackenem Brot, viele Tausend Stunden und riesige Summen an Geld investieren. Zwar lässt sich durch spezielle Analyseverfahren im Zusammenspiel mit sensorischen Informationen der menschlichen Nase herausfinden, welche Verbindungen in einer Mischung für einen bestimmten Geruch verantwortlich sind. Doch dieser Prozess ist nicht nur aufwendig, sondern auch extrem teuer. Kein Wunder, dass ein internationaler Getränkehersteller Hansons Chip bereits testet.
Um die Messsignale sichtbar zu machen, nutzen Hanson und sein Team einen Algorithmus, der die Ergebnisse des Biochips in ein dreidimensionales Bild, ein sogenanntes Aromagramm, umwandelt. Das Aromagramm stellt alle im Chip gebundenen Geruchs- oder Geschmacksstoffe als unterschiedlich farbige Balken dar, wobei die Höhe der Balken die Konzentration der jeweiligen Moleküle repräsentiert. Hanson zufolge entsprechen die Balken exakt dem quantitativen Signal, das Zunge und Nase auch ans Gehirn senden. Selbst wenn der Chip nicht im wörtlichen Sinne "riechen" kann: Das Aromaprofil komplexer Gerüche kann er ziemlich gut nachstellen. Und da hinter den Aromaprofilen bestimmte Konzentrationen unterschiedlicher Moleküle stehen, ließe sich damit ein Duft tatsächlich ziemlich einfach rekonstruieren oder gezielt verändern. Großes Potenzial sieht Hanson auch im Austausch von teuren durch billigere Inhaltsstoffe, ohne dass dabei der Geschmacks- und Geruchseindruck eines Produkts verändert wird.
Doch der Pionier will mehr. Ihm schwebt ein multidimensionaler Aromaraum analog zum Farbsystem RGB vor. Mit ihm lassen sich durch Kombination der Grundfarben alle erdenklichen Farben konstruieren. Geruchsnoten würden dann über eine bestimmte Menge von Geruchsmolekülen definiert. Jeder Duft ließe sich eindeutig identifizieren, digitalisieren, speichern und bei Bedarf wieder abrufen. Mit einer solchen digitalen Geruchs- und Geschmacksbibliothek läge Hanson ein gigantischer Markt zu Füßen: Das Marktforschungsunternehmen Research and Markets schätzt, dass er in den nächsten Jahren um sieben Prozent wachsen wird und 2025 ein Volumen von 57,4 Milliarden US-Dollar erreicht.
Doch so trivial, wie es klingt, ist Hansons Anliegen nicht: Zum einen hat die RGB-Analogie Grenzen. Denn während hierfür nur die drei Farbkanäle Rot, Blau und Grün benötigt werden, müssten bei Gerüchen alle relevanten Geruchsrezeptoren abgebildet werden. Dabei ist noch nicht geklärt, ob es mehr als die von Hanson genutzten 365 Rezeptoren gibt. Die digitalen Codes wären also deutlich komplexer.
Verglichen mit dem zweiten Problem ist dies aber ein überschaubares Hindernis. Denn erst im Gehirn entsteht aus den Signalen der Nase die Duftwahrnehmung. Was dabei genau passiert, liegt noch weitgehend im Dunkeln. So könnte das gleiche digitale Profil von den Menschen durchaus unterschiedlich wahrgenommen werden.
Veronika Schöpf von der Karl-Franzens-Universität Graz ist jedoch optimistisch, was den Nachbau individueller menschlicher Geruchswahrnehmungen angeht. Schon in zehn Jahren dürften große Fortschritte erzielt werden, glaubt Schöpf, die als Leiterin der Abteilung Neuroimaging am Institut für Psychologie das olfaktorische System des Menschen erforscht. Dass wir künftig einen individuellen Geruch, zum Beispiel ausgerichtet auf die Präferenzen von Frauen in den Dreißigern, mithilfe eines Computermodells erstellen, ist für Schöpf keine Utopie.
Ob er von Aromyx kommt? Oder doch aus dem Labor von Leslie Vosshall? Die Biochemikerin von der New Yorker Rockefeller University und ihr Kollege, der Virologe und Genetiker Andreas Keller, wählen einen ähnlichen Weg zur künstlichen Nase. Dabei berechnen sie die subjektiven Empfindungen der Menschen von vornherein ein. Die Leiterin des Labors für Neurogenetik und Keller konzentrieren sich auf Computermodelle und wollen die Biochemie der Nase ganz außen vor lassen. In ihrem Konzept soll ein lernender Algorithmus einzelne Geruchsmoleküle an der chemischen Struktur erkennen. Die dafür nötigen Daten generierten die Forscher zuvor in einer Riechstudie. 49 Freiwillige ordneten dafür 476 verschiedenen Molekülen 21 Charakteristika wie süß, fischig oder blumig zu. Zusätzlich zu diesen subjektiven Wahrnehmungen speisten die Forscher mehr als 4000 Daten über die chemisch-physikalischen Eigenschaften der 476 Moleküle in ihre Datenbank ein.
338 dieser Moleküle inklusive der charakteristischen Daten stellte das Rockefeller-Team der von IBM initiierten DREAM "Olfaction Prediction Challenge" zur Entwicklung eines lernenden Riechalgorithmus zur Verfügung. Mithilfe der umfangreichen Geruchsdatenbank mussten die Wettbewerbsteilnehmer Computermodelle erarbeiten, die aus der chemischen Struktur möglichst genau die menschliche Geruchswahrnehmung vorhersagen. "Die Ergebnisse waren überraschend gut", sagt Pablo Meyer, Initiator des IBM-Wettbewerbs. "Wir konnten nicht nur vorhersagen, wie ein Molekül riecht, wir konnten auch prognostizieren, wie die Gruppe der Probanden oder auch jeder Einzelne einen bestimmten Geruch wahrgenommen hätte", schreibt Meyer in seinem Blog. Die besten Vorhersagen ließen sich dabei mit den Computermodellen erzielen, die davon ausgehen, dass jeder Teil eines Moleküls einen spezifischen Geruch generiert, und zwar unabhängig von den anderen Teilen.
Welcher Ansatz am Ende die Nase vorn hat, lässt sich nicht entscheiden: Das prognostische Computermodell scheint sich gut zu eignen, um den Geruch einzelner Duftmoleküle vorherzusagen. Das prädestiniert das Verfahren für das Design ganz neuer Duftmoleküle. Der EssenceChip indes kann komplexe Duftgemische abbilden und eignet sich zum Aufzeichnen komplexer Aromen. Er ermöglicht außerdem deren gezielte Reformulierung. Beide Ansätze hätten also ihre Berechtigung.
(bsc)
