L'intelligenza artificiale per predire il profilo organolettico e il rapporto tra gusto ed effetti sulla salute - Marco A. Deriu
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L'intelligenza artificiale per predire il profilo organolettico e il rapporto tra gusto ed effetti sulla salute Marco A. Deriu
La natura multiscala del gusto La percezione del gusto inizia a livello chimico nella cavità orale, dove le sostanze gustative legano i recettori del gusto situati sulle papille gustative della lingua. L'informazione viene poi propagata al sistema nervoso centrale. Prospettiva Sistemica Prospettiva Cellulare ✓ Il gusto è il motore del consumo alimentare in grado di regolare l'assunzione di sostanze, grazie ai cinque gusti di base (dolce, umami, amaro, acido e salato) associati a specifiche esigenze nutrizionali ✓ Il gusto è un sistema di controllo fondamentale in grado di identificare gli alimenti nutrienti o pericolosi (da ingerire o espellere, rispettivamente) Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 2
Virtual tongue to predIct the oRganoleptic profile Funded by European Union’s Horizon of mediterranean IngredienTs and their effect on 2020 MSCA-RISE-2019 (GA. 872181) https://virtuoush2020.com hUman hOmeostasis by means of an integrated compUtational multiphysicS platform Predizione del Gusto Screening e predizione di Composti Naturali Sviluppo di un’interfaccia user-friendly per l’utilizzo della piattaforma Virtuous Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 3
Il progetto Virtuous https://virtuoush2020.com Interactions Multi-omics Data Modelling DST ML Chemical analysis Biomarkers analysis Discovery Strumento di supporto alle decisioni (DST), ovvero una piattaforma intelligente basata sul web e di facile utilizzo Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 4
https://my.virtuoush2020.com/
Virtuous - Funzionalità In via di sviluppo VIRTUOUS DATABASE VIRTUOUS TASTE ORGANOLEPTIC PROFILE VIRTUOUS VIRTUOUS SEARCH PREDICTION SURVEYS AFFINITY COMPARE Esplorazione dinamica e Dalla struttura Molecolare alla Indagini dedicate alla Caratterizzazione molecolare Ricerca di tasche di legame interattiva del FoodDB predizione del Gusto caratterizzazione dei gusti del del legame tra sostanze simili a quelle dei recettori del (foodb.ca) vino e dell'olio dei partner gustative e recettori del gusto gusto virtuosi e non solo. START START START START START Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 6
Virtuous DB Search Consentire una facile navigazione dei database inerenti al cibo, quale FooDB o database del vino, direttamente dalla Piattaforma Virtuous e collegare tutti i composti agli strumenti della piattaforma ➢ Existing databases publicly available Dessert wines, sometimes called pudding wines, are sweet wines typically served with dessert. Dessert Wine Not Available Beverages Fermented beverages ➢ Resources from VIRTUOUS consortium and beyond Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 7
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PREDIZIONE DEL GUSTO GUIDATA DAL MACHINE LEARNING
Predizione del Gusto tramite ML Dalla composizione … alla predizione molecolare dei cibi, automatica del gusto quali il vino… Input Featurization Machine Learning Output Dataset di strutture molecolari Conversione delle strutture SVM, Random Forest, Ada Predizione del Gusto (e.g., SMILES) molecolari in input adatti al Boost, Gradient Boost, etc ML Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu
Estrazione delle caratteristiche chimiche Dalla chimica ai numeri.. Examples of simple 2D descriptors: • nAcid: acidic group count • nBase: basic group count • nAromAtom: aromatic atoms count Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 11
Predizione del gusto dalla composizione chimica Machine Learning (A) (B) Umami Performance ACC Spec Sens … Sweet/Bitter Performance Training 100% 100% 100% … Validation 88% 92% 79% … Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 12
Interpretazione del modello Feedbacks ✓ Comprendere le basi molecolari di una specifica sensazione Decision gustativa. Data ML Result +Explanations ✓ Progettare nuovi agenti gustativi utilizzando le conoscenze acquisite .. dai numeri alla chimica ✓ Migliorare la capacità di previsione dei modelli Heberle, H., Zhao, L., Schmidt, S., Wolf, T. & Heinrich, J. XSMILES: interactive visualization for molecules, SMILES and XAI attribution scores. J Cheminform 15, 2 (2023). Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 13
Virtuous Taste Prediction In via di sviluppo VIRTUOUS VIRTUOUS VIRTUOUS VIRTUOUS UMAMI SWEETBITTER SALTY SOUR Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 14
Predizione del Gusto - VirtuousUmami Scientific Reports Toward a General and Interpretable Umami Taste Predictor using a Multi-Objective Machine Learning Approach Lorenzo Pallante, …, Marco A. Deriu, 2022 https://github.com/lorenzopallante/VirtuousUmami.git Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 15
Predizione del Gusto – VirtuosSweetBitter Current Research in Food Science Informed Classification of Sweeteners/Bitterants Compounds via Explainable Machine Learning G. Maroni, …, Marco Deriu, et al., 2022 https://github.com/gabribg88/VirtuousSweetBitter.git Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 16
MODELLAZIONE MOLECOLARE
Modellazione Molecolare Modelli matematici con risoluzione atomistica BOND INTERACTIONS 1 1 1 = − 0 + − 0 + 1 − cos( + ) 2 2 2 ℎ 12 6 , , + 4 , − + , , 4 0 , , ∈ NON-BOND INTERACTIONS Modello 2D Modello dinamico 3D ❑ Riproduzione realistica della dinamica molecolare ❑ Calcolo di parametri direttamente comparabili con dati sperimentali (EC50, kd) ❑ Utilizzata da accademia/industria per ❖ progettazione farmaci ❖ studio dei meccanismi molecolari alla base dei fenomeni fisiopatologici Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 18
Costruzione dei modelli molecolari GPCRs Canali Ionici DOLCE UMAMI AMARO SALATO ACIDO human NOT human Assenza di strutture sperimentali → Homology models/Alpha Fold PDB: 6WTH PDBs: 6NF4, 6NF4, 6O84 α β γ [1] Pallante, L. et al, and M.A. Deriu. On the human taste perception: Molecular-level understanding empowered by computational methods. Trends Food Sci. Technol. 116, 445–459 (2021), https://doi.org/10.1016/j.tifs.2021.07.013. Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 19
Effetti molecolari indotti da zuccheri VFT Orthosteric site Screening delle dinamiche di legame di diversi ligandi e Allosteric sites calcolo dell'energia di legame per confrontare la CRD propensità di legame di diversi dolcificanti con il rettore del dolce e il loro impatto sulla struttura proteica TMD TAS1R2 TAS1R3 TAS1R2 TAS1R3 Saccarosio Aspartame Posa all’interno della tasca di legame Amminoacidi coinvolti nel legame Energia di legame Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 20
Comprensione delle differenze dei recettori dell’amaro 3 Extracellular Loops (ECL) I recettori dell’amaro sono 25 TS2Rs GPCR (classe A) 7 Transmembrane Helices (TM) ➢ Selettivi: capaci di riconoscere solo pochi ligandi amari ➢ Promiscui: legano un’ampia famiglia di composti amari 3 Intracellular Loops (ICL) 160 140 Number Ligands 120 100 80 60 40 20 0 Promiscuos Selective Many ligands Few ligands Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 21
Identificazione degli effetti traslazionali dei ligandi Oltre alla cavità orale, i recettori del gusto sono molto diffusi nell’organismo umano e caratteristiche comuni sono rintracciabili in altri strutture proteiche. Quali sono i diversi ruoli che le molecole alimentari possono svolgere e i meccanismi di riconoscimento di tali sostanze sono conservati a livello proteomico? DISTRIBUTION OF THE CLASSIFICATION OF THE TOP 20 RANKING PROTEINS CELL-CYCLE/TRANSLATION FLAVOENZYME 11% 5% 5% HYDROLASE 11% HYDROLASE- ACTIVATOR/PROTEIN-BINDING 26% ISOMERASE LIGASE/LIGASE-INHIBITOR 26% OXIDOREDUCTASE 5% 5% 5% PROTEIN-BINDING TRANSFERASE Interacting residues MOTIF Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 22
Caratterizzazione della percezione Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 23
Il futuro di VIRTUOUS ➢ Nutrizione di Precisione: la progettazione di alimenti funzionali o agricoltura di precisione (guidare la natura per sviluppare alimenti con proprietà organolettiche mirate) ➢ Progettazione del gusto degli alimenti per stimolare le emozioni, il comportamento sociale e combattere il carico di stress, il burnout, ecc. (il nostro stato d'animo può influenzare la percezione del sapore, ma anche il sapore può migliorare l'umore e lo stato d'animo) ➢ Dieta ingegnerizzata: l'uso del cibo come integrazione alla terapia clinica e/o psicologica l'innovazione della dieta mediterranea (gustosa e salutare), che oggi è spesso oscurata dal fast food e dal junk food, ecc... ➢ Medicina di Personalizzata: supporto della terapia farmacologica mediante cibi selezionati per le loro proprietà funzionali per lo stato di salute e benessere di uno specifico paziente Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 24
Virtuous Communication Official website: https://virtuoush2020.com Social Network Newsletter Virtuous h2020 virtuoush2020 VIRTUOUSH2020 @virtuoush2020 https://virtuoush2020.com/taste-magazine/ Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 25
The M3B Lab Marco Cavaglià, MD Michela Sperti Jack A. Tuszynski Research Fellow PhD Student Professor Lorenzo Pallante S. Taimoor H. Shah PhD Student PhD Student Marco A. Deriu Kostas Panagiotopoulos Marcello Miceli Professor PhD Student PhD Student Eric A. Zizzi Marco Cannariato PhD Student PhD Student https://www.m3b.it/ Assoenologi - 2023 Marco A. Deriu 26
Grazie per l’attenzione!
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