AIを使って新しい匂いを発見するスタートアップ

アレックス・ウィルチコは黒いプラスチックのスーツケースを開け、約60個のガラス瓶を取り出した。それぞれに異なる香りが詰まっている。ジャスミンライスを炊いているような、柔らかなフローラルノートとデンプン質の香り。また、潮風とスイカの白い皮を思わせる香り。サフランのような香りに、レザーと紅茶のニュアンスがほのかに漂う香り。さらに、イチジクの葉、ツゲ、バジルのピリッとした香り。そして最も驚くべきは、鼻を突くような辛さはなく、タイの唐辛子のようなピリッとした香りだ。 

鼻に漂ってくる分子は、今まで嗅いだことのない匂いだ。実際、その匂いを嗅いだことがある人は、私を含めてほんの一握りしかいない。しかし、実際に嗅ぐ前に、コンピューターモデルが私たちにどんな匂いがするかを予測していた。 

ウィルチコ氏は10代の頃から香りに魅了され、ここ数年はGoogle Researchで分子の構造だけに基づいて香りを予測するソフトウェアを開発している。彼が私に嗅いでみるよう誘ってくれた小瓶は、マサチューセッツ州ケンブリッジに拠点を置くGoogle Researchからスピンアウトした彼の新しいスタートアップ企業、Osmoの基盤となっている。ニューヨークに拠点を置くLux CapitalとGV（Google Ventures）が主導する初期資金調達ラウンドで6000万ドルを調達したOsmoは、香水、シャンプー、ローション、キャンドル、その他の日用品に使える次世代の芳香分子の開発を目指している。 

300億ドル規模の世界的なフレグランス業界は、調達がますます困難になったり、物議を醸したりする原材料に依存しています。香水に人気の花は、気候変動による異常気象の影響で供給量が減少しています。サンダルウッドなどの樹種は、過剰採取によって絶滅の危機に瀕しています。サフランやベチバーなどの他の原料も、地政学的混乱によるサプライチェーンの混乱の影響を受けています。一部のブランドは依然としてムスクなどの動物由来の香料を使用していますが、これは動物を捕獲または殺処分する必要があるため、倫理的な問題を引き起こしています。一方、スズランのような香りのリリアルなどの合成香料は、安全上の理由から規制の対象となる可能性があります。 

香料会社の化学者たちは、一部の天然香料を再現する方法を編み出しましたが、依然として大部分が手作業で行われており、多くの香料には合成代替品がありません。「代替品を開発する必要があります。そうでなければ、私たちは生態系からこれらの植物や動物を採取し続けなければなりません」と、Osmoの共同創業者兼CEOで、Google Research在籍中にデジタル嗅覚チームを率いたウィルチコ氏は言います。「生命を採取することなく、安全で持続可能かつ再生可能な原料を開発する大きなチャンスがあります。」

同社は近い将来、香料・香料業界向けに、強力でアレルゲンフリー、そして生分解性のある分子を設計したいと考えています。「Osmoは、人々が特定の香りを求め、それに合わせて化学物質を設計するという、合理的な設計ビジネスモデルだと考えています。バイオテクノロジー企業や製薬会社で薬剤を設計し、ライセンス供与するのと同じです」と、Lux CapitalのマネージングパートナーでありOsmoの共同創業者であるジョシュ・ウルフ氏は述べています。長期的には、コンピューターに嗅覚を与え、香りを「デジタル化」することを目指していますが、この構想はまだ実現が進んでおらず、いくつかの困難な技術的課題に直面しています。

嗅覚システムは他の感覚ほど十分に理解されていないが、それはおそらくより複雑だからだと、フィラデルフィアのモネル化学感覚センターの嗅覚神経科学者で、グーグルリサーチのウィルチコの嗅覚チームと協力したが、オスモには関与していないジョエル・メインランド氏は言う。 

焼きたてのパン、雨上がりの草、タバコの煙、おばあちゃんの香水など、匂いを感知する能力は、これらの香りの分子が空気中を漂い、鼻に入り、嗅覚受容体に結合して、嗅神経を通して脳に情報を伝えることで始まります。人間の鼻には約400種類の受容体、つまり特殊なセンサータンパク質があります。比較すると、目は視覚を生成するために3種類、味覚は約40種類の受容体で感知します。 

その複雑さゆえに、香りは他の知覚体験よりも分類が困難です。色はカラーホイールと呼ばれるグラデーションで、音は音の周波数で表現できます。しかし、匂いには同様のものは存在しません。「今のところ、匂い同士がどのように関連しているかを理解するための何らかの方法が必要です」とメインランド氏は言います。「匂いを整理する良い方法がまだないのです。」 

そこでウィルチコ率いるGoogleチームは、「匂いマップ」と呼ばれるものの構築に取り組んだ。これは、似たような匂いの分子をまとめて分類する方法である。しかし、この区別を人間の鼻に頼るのではなく、人工知能を活用した。 

彼らはまず、香水カタログから入手可能な5,000種類の香りの分子のデータセットを機械学習ソフトウェアに入力した。これらはすべて、一般的に使用され、適切に説明されている香りである。例えば、この香りはフルーティーか、バターか、ウッディか。このトレーニングセットから、ソフトウェアは各香りの分子の化学構造と人間の表現方法との関連性に注目し始め、これらの特性に基づいて分子をグループ化した高次元の香りのマップを構築した。「単純な問題のように聞こえますが、分子の構造のわずかな変化が、バラのような香りから腐った卵のような香りに変わる可能性があります」とウィルチコ氏は言う。例えば、分子内の化学結合や炭素原子の数は、その香りに影響を与える可能性がある。 

次に、研究者たちはソフトウェアに、より謎めいたデータセットを解析させました。科学者によって設計されたものの、実際に製造されることはなく、匂いが解明されていない400種類の分子です。研究者たちは、各分子が人間にとってどのような匂いであるかを、その構造のみに基づいて予測するようモデルに指示しました。

これらの予測がどれほど正確か検証するため、メインランド氏とモネル研究所の同僚たちは、15人のボランティアからなるパネルにそれぞれの香りを嗅いでもらい、フローラル、ミント、スモーキーなどのラベルを付けてもらいました。パネルの意見は必ずしも一致しませんでした。嗅覚は他の多くの感覚よりも主観的な要素が大きいからです。しかし、香りの53%については、モデルの予測はどのボランティアよりもパネルの平均に近いものでした。 

ウィルチコ氏によると、このシステムにはいくつかの限界があるものの、研究チームは成功とみなしたという。例えば、2つの分子は互いに鏡像であっても、異なる香りがすることがある。「香りは必ずしも根本的に異なるわけではありませんが、微妙に異なります。私たちの神経ネットワークはそれを全く認識できないのです」と彼は言う。 

研究チームは9月にその研究結果をプレプリントサーバーbioRxivに投稿し、論文は現在科学雑誌で査読中だ。

「嗅覚科学において私たちが目指していることの一つは、人間がどのように匂いを知覚するのかを理解することです」と、ロチェスター大学医学部の嗅覚神経科学者で、Osmoには関与していないクリシュナン・パドマナバン氏は語る。同氏は、研究グループの匂いマップがその方法を示していると述べている。「彼らが成し遂げたことは実に驚くべきものです」 

ウィルチコ氏が私に嗅がせてくれたガラスの小瓶には、モネル社のパネリストたちが嗅いだのと同じ香りが入っていた。彼によると、オスモ社はいくつかの香料会社と、その一部のライセンス取得について活発な交渉を行っているという。

斬新な香りの中には、商業的に成功しやすいものとそうでないものがあると、同社のアドバイザーを務めるフランスのマスターパフューマー、クリストフ・ローダミエル氏は語る。ローダミエル氏はZoomで、私が様々な香りを嗅ぐ際に案内役を務めてくれた。（ニューヨークに拠点を置く大手香料メーカー、インターナショナル・フレーバーズ＆フレグランスによると、世界にはわずか600人の調香師しかいないという。同社は新しい香りを調合する企業の一つだ。）例えば、海の香りの分子は非常に少ないため、新しい海の香りは非常に魅力的だとローダミエル氏は言う。香料業界がチリペッパーの香りをどのように利用するかは不明だが、食品の香料として使われる可能性は十分にあるという。 

「この業界は非常に小さく、新しい分子の発見に着手している企業はほんのわずかです」と彼は言う。「新しい香りを持つ新しい分子を見つけるには、かなりの幸運が必要なのです。」 

そして、失敗率は高い。これらの分子は良い香りがするだけでなく、安全で生分解性でなければならない。企業は、これらすべての条件を満たす数種類の分子を市場に出すためだけに、年間1000もの分子をテストすることもある。ウィルチコがオスモから作り出した分子をラウダミエルに送ったとき、ラウダミエルはこう言った。「香水の原料という全く新しい世界を創造したんだと実感しましたね」

ウィルチコ氏は、オスモの技術が解決できると考えている別の問題として、より優れた蚊よけ剤の開発がある。

 世界保健機関（WHO）によると、マラリアやデング熱といった蚊媒介性疾患は、年間70万人以上の死因となっています。メスの蚊は人間の血を吸い、皮膚の匂いに引き寄せられます。ゴールドスタンダードとされるDEETを含むほとんどの化学忌避剤は、蚊の嗅覚信号を混乱させ、次の標的を見つけられないようにすることで効果を発揮します。 

しかし、DEETには欠点もあります。高濃度で使用する必要があり、プラスチックを分解し、皮膚への刺激を引き起こす可能性があります。また、ジョンズ・ホプキンス大学で蚊の嗅覚系を研究している神経科学者、クリス・ポッター氏は、蚊が他の化学物質と同様にDEETにも耐性を獲得する可能性があると述べています。「追加の忌避剤を検討する十分な理由があると思います」と、オスモには関与していないポッター氏は言います。「常に予備を用意しておく必要があります。」

2020年、環境保護庁（EPA）は11年ぶりに新たな忌避剤を承認しました。それは、グレープフルーツに特有の香りを与えるヌートカトンと呼ばれる天然化学物質です。しかし、ウィルチコ氏とGoogleのチームは、機械学習システムを使って新たな忌避剤を見つけられると考えました。 

まず、化合物の構造と忌避剤としての効果の相関関係をモデルに認識させるため、匂い分子の大規模なデータセットが必要でした。しかし、最近の科学文献に記載されている蚊よけ剤は数十種類しか見つかりませんでした。そこでウィルチコ氏は、1940年代の米国政府の報告書を探し出しました。当時、科学者たちは約19,000種類の化合物の有効性を試験していました。この研究によって、これらの化合物は効果の程度に応じてランク付けされ、DEETの発見につながりました。ウィルチコ氏と彼のチームはこのデータセットをデジタル化し、アルゴリズムを学習させました。

芳香剤実験と同様に、研究者たちは忌避効果の試験が行われていない400種類の新規分子をモデルに入力しました。今回は、それぞれの化学構造のみに基づいて、どの分子が有効かを予測するようモデルに指示しました。そして、標準的な実験室試験によるスクリーニングを行うために、317種類を選びました。その結果、10種類以上の分子がDEETや現在使用されている他の化学物質と同等かそれ以上の忌避効果を持つことが示されました。 

研究チームは研究結果をbioRxivのプレプリントで発表しましたが、まだ査読は受けていません。ウィルチコ氏によると、オスモ社は今後、これらの分子の皮膚安全性と生分解性を試験する予定とのことです。 

ポッター氏はチームの手法に感銘を受けている。「おかげで、長い間眠っていたデータが明らかになりました」と彼は言う。「これで、作業を進めるための素晴らしいリストができました。これらの化学物質を詳しく調べる価値は十分にあります。」 

ウィルチコ氏とウルフ氏は、特注の香り分子や新しい忌避剤の開発はまだ始まりに過ぎないと考えている。彼らはコンピューターに嗅覚を与えるという使命を担っている。AIは、匂いの正体や他の匂いとの関連性を予測することで、私たちをデジタル嗅覚に近づけることができると考えている。「長期的なビジョンは、匂いの『Shazam』です」とウルフ氏は語る。ラジオで流れている曲をアプリで特定できるように、ウルフ氏はスマートフォンで匂いを捉え、保存し、送信できるようになるべきだと考えている。 

しかし、これは難しい問題です。携帯電話は音を伝えるように作られていますが、化学物質を伝えるようには作られていません。そのようなデバイスは、香りの分子を収集し、それをデジタル署名に変換し、その信号を他の人の携帯電話やコンピューターに送信して解読する必要があります。そして、その信号を再び吸入可能な香りに変換するために、何らかの化学物質放出装置が必要になります。  

Osmoは匂いのデジタル化にどう取り組むかについてはまだ具体的な内容を明かしていないが、ウィルチコ氏は基本的なアイデアを既に提示している。「必要なのは3つの部分です。センサー、マップ、そしてプリンターです。センサーは物理世界を取り込み、原子をビットに変換します。マップはビットの解釈、保存、圧縮、そして伝送を支援します。カラーで言えば、RGBやJPEGといった技術です。そして、ビットを再び原子に戻す必要があります」とウィルチコ氏は語る。「今こそ、これら全てを統合し始める時だと考えています」

同社はまだ、匂いをデジタル信号に変換するセンサーや、匂いを「印刷」するデバイスを開発していない。しかし、ウィルチコ氏によると、外部の研究者と共同で開発を進めているという。ウィルチコ氏は、この問題を「途方もなく困難」と呼び、実現には何年もかかるだろうと述べている。 

実際、人々は何十年も前からこの試みを続けてきました。デスクトップパソコン用のUSB接続カートリッジであるDigiScents iSmellは1999年に発売されました。これはオンラインで収集された香りのデータをエンコードして再生することを目的としており、WIRED誌は「次なるWeb革命の火付け役」となると謳っていました。しかし、同社は資金不足のため2001年に閉鎖されました。 

2014年、Vapor CommunicationsはiPhoneやiPadに接続し、メッセージに香りを添えて送信できるデバイス「oPhone」を発売しました。2016年には、「Cyrano」という「香りスピーカー」も発表しました。これは、まるで香りのプレイリストのように、複数の香りを順番に再生できる製品です。どちらの製品も現在では販売されていません。

最近では、テクノロジー系スタートアップのFeelrealがVRヘッドセットに香りを取り入れようと試みましたが、食品医薬品局（FDA）がこれを電子タバコ製品とみなしたため、規制上の問題に直面しました。このヘッドセットはまだ消費者に届いていません。

そもそもなぜ匂いをデジタル化しようとするのか？ウィルチコ氏とウルフ氏によると、匂いには記憶を呼び起こす優れた力があるからだ。「私たちは、進化の過程でおそらく最も顕著な感覚である嗅覚を捉えることができていません」とウルフ氏は言う。「私たちは、危険を回避し、愛する人を見つけ、腐った食べ物の匂いを嗅ぎ分け、世界の美しさを楽しむために嗅覚を進化させました。しかし、これらは誰かと一緒にいなければ、人々と共有するのは難しいのです。」

当面は、既存の香りを再現し、新たな香りを発掘することで、フレグランス業界に革命を起こすことを目指している。ウィルチコ氏が香りの小瓶をスーツケースにしまう間、私は試したオスモの香りをどれか一つ身につけたいと思うか考えてみた。一つは、ヒヤシンスとフレッシュグリーンを添えたローズだった。私がいつも使っているフランスブランドのローズの香水は、価格がどんどん高騰し、香りも年々変化している。以前、店内でその理由を尋ねたことがある。問題はローズのサプライチェーンにあるという。

おそらく、代替手段が見つかれば、切り替えるでしょう。