Transformând structurile moleculare în sunete, cercetătorii obțin informații despre structurile proteice și creează noi variații

Doriți să creați un tip nou de proteine ​​care ar putea avea proprietăți utile? Nici o problemă. Doar fredonați câteva bare.

muzică

Într-o căsătorie surprinzătoare dintre știință și artă, cercetătorii de la MIT au dezvoltat un sistem pentru transformarea structurilor moleculare ale proteinelor, elementele de bază ale tuturor ființelor vii, în sunet sonor care seamănă cu pasajele muzicale. Apoi, inversând procesul, pot introduce unele variații în muzică și o pot converti înapoi în proteine ​​noi, care nu au fost văzute până acum în natură.

Deși nu este la fel de simplu ca să fredoneze o nouă proteină, noul sistem se apropie. Acesta oferă un mod sistematic de a traduce secvența de aminoacizi a unei proteine ​​într-o secvență muzicală, utilizând proprietățile fizice ale moleculelor pentru a determina sunetele. Deși sunetele sunt transpuse pentru a le aduce în domeniul audibil pentru oameni, tonurile și relațiile lor se bazează pe frecvențele vibraționale reale ale fiecărei molecule de aminoacizi în sine, calculate folosind teorii din chimia cuantică.

Sistemul a fost dezvoltat de Markus Buehler, profesorul de inginerie McAfee și șeful Departamentului de inginerie civilă și de mediu de la MIT, împreună cu postdoc Chi Hua Yu și alți doi. Așa cum este descris în jurnalul ACS Nano, sistemul traduce cele 20 de tipuri de aminoacizi, blocurile care se unesc în lanțuri pentru a forma toate proteinele, într-o scară de 20 de tonuri. Orice secvență lungă de aminoacizi a oricărei proteine ​​devine apoi o secvență de note.

În timp ce o astfel de scară sună necunoscută oamenilor obișnuiți cu tradițiile muzicale occidentale, ascultătorii pot recunoaște cu ușurință relațiile și diferențele după ce se familiarizează cu sunetele. Buehler spune că după ce a ascultat melodiile rezultate, el este acum capabil să distingă anumite secvențe de aminoacizi care corespund proteinelor cu funcții structurale specifice. „Aceasta este o foaie beta”, s-ar putea să spună el, sau „aceasta este o spirală alfa”.

Învățarea limbajului proteinelor

Întregul concept, explică Buehler, este acela de a obține un control mai bun asupra înțelegerii proteinelor și a gamei lor largi de variații. Proteinele alcătuiesc materialul structural al pielii, oaselor și mușchilor, dar sunt, de asemenea, enzime, substanțe chimice de semnalizare, întrerupătoare moleculare și o serie de alte materiale funcționale care alcătuiesc mașinile tuturor ființelor vii. Dar structurile lor, inclusiv modul în care se pliază în formele care adesea le determină funcțiile, sunt extrem de complicate. „Au propriul limbaj și nu știm cum funcționează”, spune el. "Nu stim ce face din proteina de matase o proteina din matase sau ce tipare reflecta functiile gasite intr-o enzima. Nu stim codul."

Prin traducerea acestui limbaj într-o formă diferită la care oamenii sunt deosebit de bine acordați și care permite codificarea diferitelor aspecte ale informațiilor în diferite dimensiuni - ton, volum și durată - Buehler și echipa sa speră să aducă noi perspective asupra relațiile și diferențele dintre diferitele familii de proteine ​​și variațiile acestora și folosesc acest lucru ca o modalitate de a explora numeroasele modificări și modificări posibile ale structurii și funcției lor. Ca și în cazul muzicii, structura proteinelor este ierarhizată, cu diferite niveluri de structură la diferite scale de lungime sau de timp.

Echipa a folosit apoi un sistem de inteligență artificială pentru a studia catalogul melodiilor produse de o mare varietate de proteine ​​diferite. Ei au făcut ca sistemul AI să introducă ușoare schimbări în secvența muzicală sau să creeze secvențe complet noi, iar apoi au tradus sunetele înapoi în proteine ​​care corespund versiunilor modificate sau nou proiectate. Cu acest proces, au reușit să creeze variații ale proteinelor existente - de exemplu, una care se găsește în mătase de păianjen, unul dintre cele mai puternice materiale ale naturii - făcând astfel proteine ​​noi, spre deosebire de cele produse de evoluție.

Deși cercetătorii înșiși s-ar putea să nu cunoască regulile care stau la baza lor, "AI a învățat limbajul modului în care sunt proiectate proteinele" și îl poate codifica pentru a crea variații ale versiunilor existente sau modele de proteine ​​complet noi, spune Buehler. Având în vedere că există „trilioane și trilioane” de combinații potențiale, spune el, atunci când vine vorba de crearea de proteine ​​noi „nu ați putea să o faceți de la zero, dar asta poate face AI”.

„Compunerea” proteinelor noi

Prin utilizarea unui astfel de sistem, el spune că instruirea sistemului AI cu un set de date pentru o anumită clasă de proteine ​​ar putea dura câteva zile, dar poate produce apoi un design pentru o nouă variantă în microsecunde. „Nicio altă metodă nu se apropie”, spune el. "Neajunsul este că modelul nu ne spune ce se întâmplă cu adevărat înăuntru. Știm doar că funcționează."

Acest mod de codificare a structurii în muzică reflectă o realitate mai profundă. „Când te uiți la o moleculă dintr-un manual, este statică”, spune Buehler. "Dar nu este deloc static. Este în mișcare și vibrează. Fiecare bucată de materie este un set de vibrații. Și putem folosi acest concept ca un mod de a descrie materia".

Metoda nu permite încă niciun fel de modificări direcționate - orice schimbări în proprietăți precum rezistența mecanică, elasticitatea sau reactivitatea chimică vor fi în esență aleatorii. „Încă trebuie să faceți experimentul”, spune el. Atunci când se produce o nouă variantă proteică, „nu există nicio modalitate de a prezice ce va face”.

Echipa a creat, de asemenea, compoziții muzicale dezvoltate din sunetele aminoacizilor, care definesc această nouă scară muzicală cu 20 de tonuri. Piesele de artă pe care le-au construit constau în întregime din sunete generate de aminoacizi. "Nu există instrumente sintetice sau naturale utilizate, care arată cum această nouă sursă de sunete poate fi utilizată ca platformă creativă", spune Buehler. Motive muzicale derivate atât din proteinele existente în mod natural, cât și din proteinele generate de AI sunt folosite pe parcursul exemplelor, iar toate sunetele, inclusiv unele care seamănă cu basul sau cu tamburul, sunt generate și din sunetele aminoacizilor.

Cercetătorii au creat o aplicație gratuită pentru smartphone-uri Android, numită Sintetizator de aminoacizi, pentru a reda sunetele aminoacizilor și a înregistra secvențe de proteine ​​ca compoziții muzicale.