Ved at omdanne molekylære strukturer til lyde, forskere får indsigt i proteinstrukturer og skaber nye variationer

Vil du skabe en helt ny type protein, der kan have nyttige egenskaber? Intet problem. Bare nyn et par takter.

I et overraskende ægteskab mellem videnskab og kunst, forskere ved MIT har udviklet et system til omdannelse af proteiners molekylære strukturer, de grundlæggende byggesten i alle levende væsener, til hørbar lyd, der ligner musikalske passager. Derefter, vende processen, de kan introducere nogle variationer i musikken og konvertere den tilbage til nye proteiner, der aldrig før er set i naturen.

Selvom det ikke er helt så simpelt som at nynne et nyt protein til, det nye system kommer tæt på. Det giver en systematisk måde at oversætte et proteins sekvens af aminosyrer til en musikalsk sekvens, bruge molekylernes fysiske egenskaber til at bestemme lydene. Selvom lydene transponeres for at bringe dem inden for det hørbare område for mennesker, tonerne og deres forhold er baseret på de faktiske vibrationsfrekvenser for hvert aminosyremolekyle selv, beregnet ved hjælp af teorier fra kvantekemi.

Systemet blev udviklet af Markus Buehler, McAfee professor i ingeniørvidenskab og leder af Institut for Bygge- og Miljøteknik ved MIT, sammen med postdoc Chi Hua Yu og to andre. Som beskrevet i journalen ACS Nano , systemet oversætter de 20 typer aminosyrer, byggestenene, der går sammen i kæder og danner alle proteiner, ind i en 20-tone skala. Ethvert proteins lange sekvens af aminosyrer bliver derefter en sekvens af noter.

Selvom en sådan skala lyder ukendt for folk, der er vant til vestlige musiktraditioner, lyttere kan let genkende relationerne og forskellene efter at have sat sig ind i lydene. Buehler siger, at efter at have lyttet til de resulterende melodier, han er nu i stand til at skelne visse aminosyresekvenser, der svarer til proteiner med specifikke strukturelle funktioner. "Det er et beta -ark, " han kan sige, eller "det er en alfa-helix."

At lære proteinernes sprog

Hele konceptet, Buehler forklarer, er at få et bedre styr på forståelsen af ​​proteiner og deres store vifte af variationer. Proteiner udgør hudens strukturelle materiale, knogle, og muskler, men er også enzymer, signalkemikalier, molekylære omskiftere, og et væld af andre funktionelle materialer, der udgør alle levende tings maskineri. Men deres strukturer, inklusive måden de folder sig selv ind i de former, der ofte bestemmer deres funktioner, er overordentlig komplicerede. "De har deres eget sprog, og vi ved ikke hvordan det virker, " siger han. "Vi ved ikke, hvad der gør et silkeprotein til et silkeprotein, eller hvilke mønstre der afspejler de funktioner, der findes i et enzym. Vi kender ikke koden. "

Ved at oversætte det sprog til en anden form, som mennesker er særligt godt tilpasset til, og som tillader forskellige aspekter af informationen at blive kodet i forskellige dimensioner - tonehøjde, bind, og varighed - Buehler og hans team håber at få ny indsigt i forholdet og forskellene mellem forskellige familier af proteiner og deres variationer, og brug dette som en måde at udforske de mange mulige tweaks og ændringer af deres struktur og funktion. Som med musik, strukturen af ​​proteiner er hierarkisk, med forskellige niveauer af struktur på forskellige skalaer af længde eller tid.

Holdet brugte derefter et kunstig intelligenssystem til at studere kataloget over melodier produceret af en lang række forskellige proteiner. De fik AI-systemet til at indføre små ændringer i den musikalske sekvens eller skabe helt nye sekvenser, og derefter oversat lydene tilbage til proteiner, der svarer til de modificerede eller nydesignede versioner. Med denne proces var de i stand til at skabe variationer af eksisterende proteiner - for eksempel af en fundet i edderkoppesilke, et af naturens stærkeste materialer – hvilket gør nye proteiner ulig noget, der er produceret af evolutionen.

Selvom forskerne måske ikke selv kender de bagvedliggende regler, "AI'en har lært sproget for, hvordan proteiner er designet, " og den kan kode den for at skabe variationer af eksisterende versioner, eller helt nye proteindesigns, siger Buehler. I betragtning af at der er "billioner og billioner" af potentielle kombinationer, han siger, når det kommer til at skabe nye proteiner, "ville du ikke være i stand til at gøre det fra bunden, men det er, hvad AI kan."

"Komponere" nye proteiner

Ved at bruge et sådant system, han siger, at træning af AI-systemet med et sæt data for en bestemt klasse af proteiner kan tage et par dage, men det kan så producere et design til en ny variant inden for mikrosekunder. "Ingen anden metode kommer tæt på, " siger han. "Manglen er, at modellen ikke fortæller os, hvad der virkelig foregår indeni. Vi ved bare, at det virker."

Denne måde at indkode struktur i musik afspejler en dybere virkelighed. "Når du ser på et molekyle i en lærebog, det er statisk, " siger Buehler. "Men det er slet ikke statisk. Den bevæger sig og vibrerer. Hver smule stof er et sæt vibrationer. Og vi kan bruge dette koncept som en måde at beskrive stof på."

Metoden tillader endnu ikke nogen form for rettede modifikationer - eventuelle ændringer i egenskaber såsom mekanisk styrke, elasticitet, eller kemisk reaktivitet vil i det væsentlige være tilfældig. "Du skal stadig lave eksperimentet, " siger han. Når der produceres en ny proteinvariant, "der er ingen måde at forudsige, hvad det vil gøre."

Holdet skabte også musikalske kompositioner udviklet fra lyden af ​​aminosyrer, som definerer denne nye 20-tones musikskala. De kunstværker, de konstruerede, består udelukkende af lyde genereret fra aminosyrer. "Der er ingen syntetiske eller naturlige instrumenter brugt, viser, hvordan denne nye lydkilde kan bruges som en kreativ platform, " siger Buehler. Musikalske motiver afledt af både naturligt eksisterende proteiner og AI-genererede proteiner bruges gennem eksemplerne, og alle lyde, herunder nogle, der ligner bas- eller lilletrommer, genereres også fra lyden af ​​aminosyrer.

Forskerne har lavet en gratis Android smartphone app, kaldet Amino Acid Synthesizer, at afspille lyden af ​​aminosyrer og optage proteinsekvenser som musikalske kompositioner.