В удивительном союзе науки и искусства исследователи из Массачусетского технологического института разработали систему для преобразования молекулярных структур белков, основных строительных блоков всех живых существ, в слышимый звук, напоминающий музыкальные отрывки. Затем, обращая процесс вспять, они могут внести в музыку некоторые вариации и преобразовать ее обратно в новые белки, никогда ранее не встречавшиеся в природе.
Хотя это не так просто, как создать новый белок, новая система подходит близко.
Он обеспечивает систематический способ перевода последовательности аминокислот белка в музыкальную последовательность, используя физические свойства молекул для определения звуков. Хотя звуки транспонированы, чтобы сделать их доступными для слышимого людьми диапазона, тона и их отношения основаны на фактических частотах колебаний каждой самой молекулы аминокислоты, вычисленных с использованием теорий квантовой химии.
Система была разработана Маркусом Бюлером, профессором инженерных наук McAfee и главой Департамента гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, вместе с постдоком Чи Хуа Ю и двумя другими.
Как описано в журнале ACS Nano, система переводит 20 типов аминокислот, строительных блоков, которые объединяются в цепочки, чтобы сформировать все белки, в 20-тональную шкалу. Тогда длинная последовательность аминокислот любого белка превращается в последовательность нот.
Хотя такая шкала звучит незнакомо для людей, привыкших к западным музыкальным традициям, слушатели могут легко распознать взаимосвязи и различия после ознакомления со звуками. Бюлер говорит, что после прослушивания полученных мелодий он теперь может различать определенные аминокислотные последовательности, которые соответствуют белкам с определенными структурными функциями. «Это бета-лист», – может сказать он, или «это альфа-спираль."
Изучение языка белков
Вся концепция, как поясняет Бюлер, состоит в том, чтобы лучше понять белки и их огромное количество вариаций.
Белки составляют структурный материал кожи, костей и мышц, но также являются ферментами, сигнальными химическими веществами, молекулярными переключателями и множеством других функциональных материалов, из которых состоит механизм всего живого. Но их структуры, в том числе то, как они складываются в формы, которые часто определяют их функции, чрезвычайно сложны. «У них есть свой язык, и мы не знаем, как он работает», – говорит он. "Мы не знаем, что делает белок шелка белком шелка или какие закономерности отражают функции, обнаруженные в ферменте. Мы не знаем код."
Переводя этот язык в другую форму, к которой люди особенно хорошо приспособлены, и которая позволяет кодировать различные аспекты информации в разных измерениях – шаг, объем и продолжительность – Бюлер и его команда надеются почерпнуть новые идеи. во взаимосвязи и различия между различными семействами белков и их вариациями, и использовать это как способ изучения множества возможных настроек и модификаций их структуры и функций.
Как и в случае с музыкой, структура белков иерархическая, с разными уровнями структуры на разных масштабах длины или времени.
Затем команда использовала систему искусственного интеллекта для изучения каталога мелодий, производимых множеством различных белков.
Они попросили систему ИИ внести небольшие изменения в музыкальную последовательность или создать совершенно новые последовательности, а затем преобразовать звуки обратно в белки, которые соответствуют модифицированным или недавно разработанным версиям. С помощью этого процесса они смогли создать вариации существующих белков – например, один, найденный в шелке паука, одном из самых прочных природных материалов, – таким образом, создавая новые белки, непохожие на любые, произведенные эволюцией.
Хотя сами исследователи могут не знать основных правил, «ИИ изучил язык того, как создаются белки», и он может кодировать его для создания вариаций существующих версий или совершенно новых конструкций белков, говорит Бюлер. Учитывая, что существуют «триллионы и триллионы» потенциальных комбинаций, говорит он, когда дело доходит до создания новых белков, «вы не сможете сделать это с нуля, но это то, что может сделать ИИ."
«Составление» новых белков
По его словам, при использовании такой системы обучение системы ИИ с набором данных для определенного класса белков может занять несколько дней, но затем она может создать дизайн для нового варианта за микросекунды. «Ни один другой метод не может сравниться с этим», – говорит он. "Недостаток в том, что модель не сообщает нам, что на самом деле происходит внутри. Мы просто знаем, что это работает."
Такой способ кодирования структуры в музыку действительно отражает более глубокую реальность. «Когда вы смотрите на молекулу в учебнике, она статична», – говорит Бюлер. "Но это совсем не статично. Он движется и вибрирует. Каждая крупица материи – это набор вибраций. И мы можем использовать это понятие как способ описания материи."
Метод пока не допускает каких-либо направленных модификаций – любые изменения свойств, таких как механическая прочность, эластичность или химическая реактивность, будут по существу случайными. «Вам все еще нужно провести эксперимент», – говорит он. Когда производится новый вариант белка, «невозможно предсказать, что он будет делать."
Команда также создала музыкальные композиции, основанные на звуках аминокислот, которые определяют эту новую 20-тональную музыкальную шкалу.
Созданные ими произведения искусства полностью состоят из звуков, генерируемых аминокислотами. «Здесь не используются синтетические или натуральные инструменты, что показывает, как этот новый источник звуков может быть использован в качестве творческой платформы», – говорит Бюлер. Во всех примерах используются музыкальные мотивы, полученные как из существующих в природе белков, так и из белков, генерируемых ИИ, и все звуки, в том числе некоторые, которые напоминают бас или малый барабан, также генерируются из звуков аминокислот.
Исследователи создали бесплатное приложение для смартфонов Android под названием Amino Acid Synthesizer, чтобы воспроизводить звуки аминокислот и записывать последовательности белков в виде музыкальных композиций.