על המר והמתוק: המחשב שלמד לנבא טעם מר

המחשב מצליח לראות, לחוש ואף לשמוע את הסביבה, אך עד כה לא ידע לטעום. במחקר חדש, קבוצת המחקר של פרופ' מאשה ניב מהמכון לביוכימיה, מדעי המזון והתזונה של האוניברסיטה העברית לימדה את המחשב שיעור מר במיוחד: מהו טעם מר? ואם מולקולה כלשהי תהיה מרה? למחקר יש השלכות רחבות על ההבנה של החוש החמקמק הזה, ואף על תעשיית המזון והתרופות.

מָרִינוּ דְבָרֶיךָ (תפילת הווידוי)

כולנו מכירים את הרגשת הגועל כשטעם מר משתלט על הפה, למשל כשבולעים תרופה מרה או כשאוכלים פרי מקולקל. אותה הרגשה הפכה ביהדות לתיאור של סבל וריחוק, למשל במילים "מָרִינוּ דְבָרֶיךָ" הנאמרים בתפילת הווידוי, לפני פירוט כל החטאים שאולי חטאנו.

במקביל לניקוי הנפש ממרירות, הגוף משקיע מאמצים בזיהוי הטעם המר באמצעות עשרים וחמישה קולטנים שונים. למה כל כך חשוב לנבא טעם מר? "מרירות היא לא פעם תכונה לא רצויה, הן במזונות והן בתרופות, עד כדי כך שתרופות עלולות להיכשל בגלל טעמן הדוחה שגורם לאנשים לא לקחת אותן באופן סדיר", מסבירה ניב. "לכן גם בתעשיית המזון וגם בתעשיית התרופות יש עניין בחיזוי של מרירות ובמציאת דרכים למסך אותה".

שָׂמִים מַר לְמָתוֹק וּמָתוֹק לְמָר (ישעיהו ה' כ')

איך אפשר ללמד מחשב לזהות תכונה מורכבת כמו טעם מר? ואיך אפשר להסתכל על מולקולה ולדעת אם היא מרה או מתוקה? כבר במקורותינו הופיעה שאלת האבחנה בין טעם מר למתוק: במשל הכרם של ישעיהו מסופר על כרם שטופל היטב אך לא הניב ענבים, והנמשל הוא עם ישראל. הנביא הסביר שעם ישראל התבלבל בין מר למתוק, ובמקום משפט, צדק ומוסר חברתי השליט עוולות חברתיות של עושק החלש.

אף שכל תינוק יודע לזהות טעם מר, לא מדובר בתכונה פשוטה של צבע או גודל. "לחומרים מרירים אין תכונה כימית מובהקת אחת", מסבירה ניב. "הם יכולים להיות גדולים או קטנים, עם קשרים כפולים או בלי, עם מסיסות גבוהה במים או בלעדיה".

כדי ללמד את המחשב להבין תכונה מורכבת, אחת השיטות המובילות היא לתת לו ללמוד בעצמו – תחום שנקרא לימוד מכונה או בינה מלאכותית. בשיטה הזו מציגים למחשב מידע רב, במקרה זה אוסף גדול של מולקולות שידוע אם הן מרות או לא. באופן מפתיע מתברר שיש מחסור במידע מסודר על המרירות של מולקולות ועד כה לא היו מאגרי מידע של מולקולות שידוע בוודאות שאינן מרות.

כדי לתקן את המצב הרחיבו הסטודנטים עינה דגן-וינר ועידו ניסים מאגר מידע שפותח בקבוצתה של ניב, שמאגד 700 מולקולות שידוע שהן מרות (מאגר BitterDB), ובנוסף נברו בספרים ובמאמרים ויצרו מאגר מידע חדש של מולקולות שאינן מרות. לדברי דגן-וינר, איסוף הנתונים הזה היה האתגר הכי גדול במחקר.

לצורך המחקר יזמו המדענים גם שיתוף פעולה עם קבוצת המחקר של פרופ' אנג'לה בסולי מאיטליה ונעזרו גם במידע שהיא אספה בעבר. ייחודו של המידע הזה בכך שהוא כולל מולקולות בעלות מבנה והרכב דומים מאוד, שחלקן מרות וחלקן לא.

בשלב הבא תיארו כל מולקולה במאגרי המידע באמצעות אוסף גדול של תכונות פיזיקו-כימיות והניחו למחשב לבנות מודל מבדל בין המולקולות המרות לאלו שאינן מרות, על סמך התכונות הידועות שלהן.

ניב מספרת כי בעבר סברו שיכולת המולקולה לדחות מים ולהעדיף סביבה שומנית (הידרופוביות) נחשבה לתכונה שמנבאת מרירות, אך המחקר חשף שאין הבדל מהותי בתכונה הזאת בין המולקולות המרות לאלה שאינן מרות. עם זאת, חומרים מסיסים באופן קיצוני אינם נוטים להיות מרים. תכונה נוספת שנמצאה משמעותית לטעם המר היא קיומו של מטען חשמלי חיובי במולקולה.

וְהָיָה פִרְיוֹ לְמַאֲכָל, וְעָלֵהוּ לִתְרוּפָה (יחזקאל מז, יב)

הנביא יחזקאל מתאר צמח טוב ככזה שפריו משמש למאכל ומחלקים אחרים שלו אפשר להפיק תרופה. ואכן, בשל הקשר בין מרירות לרעילות, חשוב לעשות שימוש בצמחים לתרופות רק אם הם אינם רעילים. לאור הקשר הידוע בין מרירות לרעילות, המדענים במחקר הנוכחי הצליבו גם תכונות הקשורות לרעילות, כגון מאפיינים ידועים הקשורים ליכולת הספיגה של חומר בגוף וניקויו ממנו. בעזרת כלי הניבוי החדש מצאו שכשני שליש מהתרופות הן מרות.

כדי לבחון את הצלחת המחשב בניבוי הטעם המר ערכה הסטודנטית נטלי בן אבו מבחני טעימה. הנושא הזה הציג אתגר חדש, שכן קיים קושי אתי לתת לאנשים לטעום חומרים שטעמם אינו ידוע, דבר שרק מדגיש את חשיבות המחקר. המחשב למד לנבא את הטעם המר בצורה נכונה גם באמצעות בחינת יכולת הניבוי של מולקולות שידוע שהן מרות, אך לא שימשו את המחשב בתהליך הלימוד של הטעם. התוכנה הצליחה לנבא מרירות בדיוק גבוה של 80 אחוז.

ממצאי המחקר חשובים לתעשיית התרופות ממגוון סיבות. קולטנים לטעם מר המצויים ברקמות פנימיות וכיום מנסים לפתח תרופות שיפגעו בקולטנים האלה. ניב מסבירה: "קולטנים לטעם מר נמצאו ברקמות רבות בגוף, כולל המוח, מערכת הנשימה ומערכת העיכול. כיום חושבים שחומרים מרים עשויים לשמש תרופות חדישות נגד אסתמה. אז המוטיבציה היא למצוא חומרים מרים בעלי פוטנציאל תרופתי". למשל, נועם כהן מאוניברסיטת פנסילבניה מצא שלאנשים עם שינוי בקולטן טעם מר מסוים יש סיכוי מוגבר לחלות בסינוסיטיס כרוני לעומת אלה שהקולטן אינו מתפקד אצלם.

לסיום, ניב מדגישה כי קולטני הטעם המר שייכים למשפחה של קולטנים בשם GPCR, שהם כשליש מחלבוני המטרה של תרופות. הבנה של מנגנון הטעם המר תאפשר להבין איך קולטנים מהמשפחה הזו פועלים ולפתח תרופות טובות יותר נגד מגוון מחלות. לכן, כפי שכתבה נעמי שמר (כאן למטה בביצוע יוסי בנאי), חשוב לשמור על המתוק, אך לא פחות חשוב – גם על המר:

על כל אלה, על כל אלה,
שמור נא לי אלי הטוב.
על הדבש ועל העוקץ,
על המר והמתוק.