Wilt u een geheel nieuw type eiwit maken dat mogelijk nuttige eigenschappen heeft? Geen probleem. neurie maar een paar maten.

In een verrassend huwelijk tussen wetenschap en kunst, onderzoekers van MIT hebben een systeem ontwikkeld voor het omzetten van de moleculaire structuren van eiwitten, de basisbouwstenen van alle levende wezens, in hoorbaar geluid dat lijkt op muzikale passages. Vervolgens, het proces omkeren, ze kunnen wat variaties in de muziek introduceren en deze weer omzetten in nieuwe eiwitten die nog nooit eerder in de natuur zijn gezien.

Hoewel het niet zo eenvoudig is als een nieuw eiwit tot stand brengen, het nieuwe systeem komt in de buurt. Het biedt een systematische manier om de aminozuurvolgorde van een eiwit te vertalen in een muzikale volgorde, met behulp van de fysieke eigenschappen van de moleculen om de geluiden te bepalen. Hoewel de geluiden worden getransponeerd om ze binnen het hoorbare bereik voor mensen te brengen, de tonen en hun relaties zijn gebaseerd op de werkelijke trillingsfrequenties van elk aminozuurmolecuul zelf, berekend met behulp van theorieën uit de kwantumchemie.

Het systeem is ontwikkeld door Markus Buehler, de McAfee Professor of Engineering en hoofd van de afdeling Civiele en Milieutechniek aan het MIT, samen met postdoc Chi Hua Yu en twee anderen. Zoals beschreven in het journaal ACS Nano , het systeem vertaalt de 20 soorten aminozuren, de bouwstenen die in ketens samenkomen om alle eiwitten te vormen, in een 20-toons toonladder. De lange reeks aminozuren van elk eiwit wordt dan een reeks noten.

Hoewel een dergelijke toonladder onbekend klinkt voor mensen die gewend zijn aan westerse muziektradities, luisteraars kunnen de relaties en verschillen gemakkelijk herkennen nadat ze vertrouwd zijn geraakt met de geluiden. Buehler zegt dat na het beluisteren van de resulterende melodieën, hij is nu in staat om bepaalde aminozuursequenties te onderscheiden die overeenkomen met eiwitten met specifieke structurele functies. "Dat is een bètablad, " zou hij kunnen zeggen, of "dat is een alfa-helix."

De taal van eiwitten leren

Het hele concept, Bühler legt uit, is om een ​​beter begrip te krijgen van eiwitten en hun enorme scala aan variaties. Eiwitten vormen het structurele materiaal van de huid, bot, en spieren, maar zijn ook enzymen, signalering chemicaliën, moleculaire schakelaars, en tal van andere functionele materialen die de machinerie vormen van alle levende wezens. Maar hun structuren, inclusief de manier waarop ze zichzelf vouwen in de vormen die vaak hun functies bepalen, zijn buitengewoon ingewikkeld. "Ze hebben hun eigen taal, en we weten niet hoe het werkt, " zegt hij. "We weten niet wat een zijde-eiwit tot een zijde-eiwit maakt of welke patronen de functies van een enzym weerspiegelen. We kennen de code niet."

Door die taal te vertalen naar een andere vorm waar mensen bijzonder goed op zijn afgestemd, en dat maakt het mogelijk om verschillende aspecten van de informatie in verschillende dimensies te coderen:toonhoogte, volume, en duur - Buehler en zijn team hopen nieuwe inzichten te krijgen in de relaties en verschillen tussen verschillende families van eiwitten en hun variaties, en gebruik dit als een manier om de vele mogelijke aanpassingen en aanpassingen van hun structuur en functie te verkennen. Net als bij muziek, de structuur van eiwitten is hiërarchisch, met verschillende niveaus van structuur op verschillende schalen van lengte of tijd.

Het team gebruikte vervolgens een kunstmatig intelligentiesysteem om de catalogus van melodieën te bestuderen die door een grote verscheidenheid aan verschillende eiwitten worden geproduceerd. Ze lieten het AI-systeem kleine veranderingen in de muzikale reeks aanbrengen of volledig nieuwe reeksen creëren, en vervolgens de geluiden terug vertaald in eiwitten die overeenkomen met de gewijzigde of nieuw ontworpen versies. Met dit proces waren ze in staat om variaties van bestaande eiwitten te creëren, bijvoorbeeld van een eiwit dat wordt aangetroffen in spinnenzijde, een van de sterkste materialen van de natuur - waardoor nieuwe eiwitten worden gemaakt die niet door evolutie zijn geproduceerd.

Hoewel de onderzoekers zelf de onderliggende regels misschien niet kennen, "de AI heeft de taal geleerd van hoe eiwitten worden ontworpen, " en het kan het coderen om variaties van bestaande versies te creëren, of volledig nieuwe eiwitontwerpen, zegt Bühler. Aangezien er "biljoenen en biljoenen" mogelijke combinaties zijn, hij zegt, als het gaat om het maken van nieuwe eiwitten "zou je het niet helemaal opnieuw kunnen doen, maar dat is wat de AI kan doen."

Nieuwe eiwitten "componeren"

Door een dergelijk systeem te gebruiken, hij zegt dat het trainen van het AI-systeem met een set gegevens voor een bepaalde klasse eiwitten een paar dagen kan duren, maar kan dan binnen microseconden een ontwerp voor een nieuwe variant maken. "Geen enkele andere methode komt in de buurt, "zegt hij. "De tekortkoming is dat het model ons niet vertelt wat er werkelijk aan de hand is. We weten gewoon dat het werkt."

Deze manier van het coderen van structuur in muziek weerspiegelt wel een diepere realiteit. "Als je naar een molecuul in een leerboek kijkt, het is statisch, " zegt Buehler. "Maar het is helemaal niet statisch. Het beweegt en trilt. Elk stukje materie is een reeks trillingen. En we kunnen dit concept gebruiken als een manier om materie te beschrijven."

De methode staat nog geen enkele vorm van gerichte modificaties toe - eventuele veranderingen in eigenschappen zoals mechanische sterkte, elasticiteit, of chemische reactiviteit zal in wezen willekeurig zijn. "Je moet het experiment nog doen, "zegt hij. Als er een nieuwe eiwitvariant wordt geproduceerd, "Er is geen manier om te voorspellen wat het zal doen."

Het team creëerde ook muzikale composities die zijn ontwikkeld op basis van de geluiden van aminozuren, die deze nieuwe 20-toons toonladder definiëren. De kunstwerken die ze maakten, bestaan ​​volledig uit de geluiden die worden gegenereerd door aminozuren. "Er worden geen synthetische of natuurlijke instrumenten gebruikt, laten zien hoe deze nieuwe geluidsbron kan worden gebruikt als een creatief platform, ", zegt Buehler. Muzikale motieven die zijn afgeleid van zowel natuurlijk bestaande eiwitten als door AI gegenereerde eiwitten worden in de voorbeelden gebruikt, en alle geluiden, waaronder enkele die lijken op bas- of snaredrums, worden ook gegenereerd door de geluiden van aminozuren.

De onderzoekers hebben een gratis Android-smartphone-app gemaakt, genaamd Aminozuur Synthesizer, om de geluiden van aminozuren te spelen en eiwitsequenties op te nemen als muzikale composities.