Vill du skapa en helt ny typ av protein som kan ha användbara egenskaper? Inga problem. Nynna bara några barer.

I ett överraskande äktenskap mellan vetenskap och konst, forskare vid MIT har utvecklat ett system för omvandling av proteiners molekylära strukturer, de grundläggande byggstenarna för alla levande varelser, till hörbart ljud som liknar musikpassager. Sedan, vända processen, de kan införa vissa variationer i musiken och omvandla den till nya proteiner som aldrig tidigare setts i naturen.

Även om det inte är så enkelt som att nynna ett nytt protein, det nya systemet kommer nära. Det ger ett systematiskt sätt att översätta ett proteins sekvens av aminosyror till en musikalisk sekvens, med hjälp av molekylernas fysikaliska egenskaper för att bestämma ljuden. Även om ljuden transponeras för att få dem inom det hörbara intervallet för människor, tonerna och deras samband är baserade på de faktiska vibrationsfrekvenserna för varje aminosyramolekyl själv, beräknat med hjälp av teorier från kvantkemi.

Systemet utvecklades av Markus Buehler, McAfee -professor i teknik och chef för institutionen för civil- och miljöteknik vid MIT, tillsammans med postdoc Chi Hua Yu och två andra. Som beskrivs i tidningen ACS Nano , systemet översätter de 20 typerna av aminosyror, byggstenarna som går samman i kedjor för att bilda alla proteiner, i en 20-tonig skala. Varje proteins långa sekvens av aminosyror blir sedan en sekvens av anteckningar.

Även om en sådan skala låter obekant för människor som är vana vid västerländska musiktraditioner, lyssnare kan lätt känna igen relationer och skillnader efter att ha bekantat sig med ljuden. Buehler säger att efter att ha lyssnat på de resulterande melodierna, han kan nu särskilja vissa aminosyrasekvenser som motsvarar proteiner med specifika strukturella funktioner. "Det är ett beta -blad, "kan han säga, eller "det är en alfa -helix."

Lär dig proteinets språk

Hela konceptet, Buehler förklarar, är att få ett bättre grepp om att förstå proteiner och deras stora variationer. Proteiner utgör hudens strukturella material, ben, och muskler, men är också enzymer, signalkemikalier, molekylära omkopplare, och en mängd andra funktionella material som utgör maskiner för alla levande saker. Men deras strukturer, inklusive hur de viker sig till de former som ofta avgör deras funktioner, är oerhört komplicerade. "De har sitt eget språk, och vi vet inte hur det fungerar, "säger han." Vi vet inte vad som gör ett sidenprotein till ett sidenprotein eller vilka mönster som återspeglar de funktioner som finns i ett enzym. Vi känner inte till koden. "

Genom att översätta det språket till en annan form som människor är särskilt väl anpassade till, och det gör att olika aspekter av informationen kan kodas i olika dimensioner - tonhöjd, volym, och varaktighet - Buehler och hans team hoppas kunna få ny inblick i relationerna och skillnaderna mellan olika proteinfamiljer och deras variationer, och använd detta som ett sätt att utforska de många möjliga tweaks och modifieringar av deras struktur och funktion. Som med musik, strukturen hos proteiner är hierarkisk, med olika strukturnivåer i olika skalor av längd eller tid.

Teamet använde sedan ett system för artificiell intelligens för att studera katalogen av melodier som produceras av en mängd olika proteiner. De fick AI -systemet att införa små förändringar i den musikaliska sekvensen eller skapa helt nya sekvenser, och översatte sedan ljuden tillbaka till proteiner som motsvarar de modifierade eller nydesignade versionerna. Med denna process kunde de skapa variationer av befintliga proteiner - till exempel ett som finns i spindelsilke, ett av naturens starkaste material - vilket gör att nya proteiner till skillnad från alla som produceras av evolutionen.

Även om forskarna själva kanske inte känner till de underliggande reglerna, "AI har lärt sig språket för hur proteiner utformas, "och det kan koda det för att skapa variationer av befintliga versioner, eller helt nya proteindesigner, Säger Buehler. Med tanke på att det finns "biljoner och biljoner" av potentiella kombinationer, han säger, när det gäller att skapa nya proteiner "skulle du inte kunna göra det från grunden, men det är vad AI kan göra. "

"Komponerar" nya proteiner

Genom att använda ett sådant system, han säger att träning av AI -systemet med en uppsättning data för en viss proteinklass kan ta några dagar, men det kan sedan producera en design för en ny variant inom mikrosekunder. "Ingen annan metod kommer nära, "säger han." Nackdelen är att modellen inte berättar vad som egentligen pågår inuti. Vi vet bara att det fungerar. "

Detta sätt att koda struktur i musik återspeglar en djupare verklighet. "När du tittar på en molekyl i en lärobok, det är statiskt, "Säger Buehler." Men det är inte statiskt alls. Det rör sig och vibrerar. Varje bit är en uppsättning vibrationer. Och vi kan använda detta koncept som ett sätt att beskriva materia. "

Metoden tillåter ännu inte någon form av riktade modifieringar - några ändringar i egenskaper som mekanisk hållfasthet, elasticitet, eller kemisk reaktivitet är i huvudsak slumpmässig. "Du måste fortfarande göra experimentet, "säger han. När en ny proteinvariant produceras, "det finns inget sätt att förutsäga vad det kommer att göra."

Teamet skapade också musikaliska kompositioner utvecklade från ljuden av aminosyror, som definierar denna nya 20-toniga musikaliska skala. Konstverken de konstruerade består helt och hållet av ljud som genereras från aminosyror. "Det används inga syntetiska eller naturliga instrument, visar hur denna nya ljudkälla kan användas som en kreativ plattform, "Säger Buehler. Musikaliska motiv från både naturligt existerande proteiner och AI-genererade proteiner används i exemplen, och alla ljud, inklusive några som liknar bas- eller virveltrummor, genereras också från aminosyrornas ljud.

Forskarna har skapat en gratis Android -smartphone -app, kallad Aminosyra Synthesizer, att spela ljud av aminosyror och spela in proteinsekvenser som musikaliska kompositioner.