Хотите создать абсолютно новый тип белка, который может обладать полезными свойствами? Нет проблем. Просто напеть пару строк.
В удивительное сочетание науки и искусства, исследователи из Массачусетского технологического института разработали систему для преобразования молекулярной структуры белков, основным строительным материалом для всех живых существ, в слышимый звук, который напоминает музыкальные ходы. Затем в обратном порядке, они могут внести некоторые изменения в музыку и конвертировать ее в новые белки никогда не видел в природе.
Хотя это не совсем так просто, как жужжание нового белка в существование, новая система приближается. Это обеспечивает систематический способ перевода последовательности белка из аминокислот в музыкальной последовательности, используя физические свойства молекул, чтобы определить звуки. Хотя звуки были перенесены для того, чтобы привести их в слышимый диапазон для человека, тона и их взаимоотношения основаны на реальных колебательных частот каждой аминокислоты самой молекуле, вычисленный с помощью теорий от квантовой химии.
Система была разработана Маркус Бюлер, профессор Макафи инженерных и руководитель Департамента гражданской и экологической инженерии Массачусетского технологического института, вместе с постдоком чи хуа Юй и двумя другими. Как рассказали сегодня в журнале ACS Nano, то система переводит 20 типов аминокислот, строительных блоков, которые объединяются в цепочки, чтобы сформировать все белки, в 20-шкала тонов. Длинная последовательность какого-либо белка из аминокислот превращается в последовательность нот.
При таких масштабах звуков, незнакомых людей, привыкших к западной музыкальной традиции, слушатели могут легко распознать взаимосвязи и различия после ознакомления со звуками. Бюлер говорит, что после прослушивания получившейся мелодии, теперь он способен различать определенные аминокислотные последовательности, соответствующие белкам с определенной структурной функции. “Это бета-лист,” он может сказать, или “это альфа-спираль.”
Изучение языка белки
Вся концепция, объясняет Бюлер, является получение лучшего понимания белков и их многочисленные вариации. Протеины составляют строительный материал кожи, костей и мышц, а также ферментов, сигнальных химических веществ, молекулярных переключателей, а также множество других функциональных материалов, входящих в состав машин всего живого. Но их структуры, в том числе, как они сами складываются в фигуры, которые часто определяют их функции, являются чрезвычайно сложным. “У них есть свой язык, и мы не знаем, как это работает”, — говорит он. “Мы не знаем, что делает Шелковый протеин Шелковый протеин или какие закономерности отражают функций фермента. Мы не знаем кода”.
Переводя, что язык в другую форму, что люди особенно хорошо настроен, и что позволяет различные аспекты информации, закодированных в разных измерениях — высоте, громкости и продолжительности — Бюлер и его команда надеются извлечь по-новому взглянуть на взаимоотношения и различия между разными семьями белков и их вариации, и использовать это как способ изучения множества возможных настроек и изменений их структуры и функции. Как с музыкой, структура белков имеет иерархическую структуру, на разных уровнях структуры на различных масштабах длины и времени.
Новый метод преобразует последовательность аминокислот белков в этой последовательности ударных и ритмичных звуков. Любезно Маркус Бюлер.
Затем команда использовала систему искусственного интеллекта, чтобы изучить каталог мелодий производится широкий спектр различных белков. У них была система AI внести небольшие изменения в музыкальной последовательности или создать совершенно новую последовательность, и затем перевел звуки обратно в белки, которые соответствуют измененной или вновь разработанные версии. В этом процессе им удалось создать вариации из существующих белков, на примере одного нашли в паучий шелк, один из сильнейших природных материалов — таким образом, создание новых белков, в отличие от любой произведенный эволюции.
Ударные, ритмичные и музыкальные звуки здесь создается полностью из аминокислотных последовательностей. Любезно Маркус Бюлер.
Хотя сами исследователи могут не знать базовых правил, “АИ выучила язык как белки предназначены”, и он может кодировать его для создания вариаций существующие версии, или совершенно новой конструкции белка, говорит Бюлер. Учитывая, что есть “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 ИИ можно делать”.
“Сочинения” новых белков
С помощью такой системы, он говорит, что обучение системы ИИ с набором данных для определенного класса белков может занять несколько дней, но затем он может производить дизайн на новый вариант в течение микросекунд. “Никакой другой метод не приближается”, — говорит он. “Недостаток модель не говорит нам, что на самом деле происходит внутри. Мы просто знаем, что это работает”.
Этот способ кодирования структуры в музыке не отражают глубокую реальность. “Когда вы смотрите на молекулу в учебнике, оно статично”, — говорит Бюлер. “Но это не статические на всех. Он движется и вибрирует. Каждая частица материи-это набор вибраций. И мы можем использовать это понятие как способ описания материи”.
Метод не предполагает существования какого-либо направленного изменения — любые изменения в свойства, такие как механическая прочность, эластичность, или химическая активность будет существенно случайный характер. “Вы все еще должны сделать эксперимент”, — говорит он. Когда вырабатывается новый вариант белка, “нет никакого способа, чтобы предсказать, что он будет делать.”
Команда также создали музыкальные композиции, разработали из звуков аминокислот, которые определяют эту новую 20-тона музыкальной гаммы. Произведениями искусства они построены целиком состоят из звуков, образующихся из аминокислот. “Нет никаких синтетических или натуральных инструментов, показывает, как этот новый источник звуков можно использовать в качестве креативной платформы”, — говорит Бюлер. Музыкальные мотивы, полученные из естественно существующих белков и АИ-автоматически белки используются во всех примерах, и все звуки, в том числе некоторые, которые напоминают бас или барабаны, также создаются из звуков аминокислот.
Исследователи создали бесплатно Андроид приложение для смартфона, называется аминокислота, синтезатор для воспроизведения звуков аминокислот и записи белковых последовательностей в качестве музыкальных композиций.
“Маркус Бюлер был одарен самым творческую душу, и его изыскания во внутренней работе биомолекул улучшения нашего понимания механических реакций биологических материалов наиболее существенным образом”, — говорит Марк Мейерс, профессор материаловедения Калифорнийского университета в Сан-Диего, который не участвовал в этой работе.
Мейерс добавляет, “фокусируя этой фантазии на музыку Романа и не менее интересное направление. Это экспериментальная музыка в лучшем виде. Ритмы жизни, включая пульсации нашего сердца, были изначальные источники повторяющихся звуков, вызвавших этот удивительный мир музыки. Маркус спустился в нано-космических ритмов, чтобы извлечь из аминокислот, строительных блоков жизни”.
“Последовательности белка являются сложными, как и сравнение между последовательностями белка”, — говорит Энтони Вайс, профессор биохимии и молекулярной биотехнологии в Университете Сиднея, Австралия, который также не был подключен к этой работе. МТИ команды “обеспечивает впечатляющий, увлекательный и необычный подход к оценке и толковании этого сложности. … Подходом, выгоды от нашей врожденной способности слышать сложными музыкальными узорами. Через гармонию и диссонанс, теперь у нас есть интересный и полезный инструмент для сравнения аминокислотных последовательностей.”
В состав группы также входил научный сотрудник Чжао Цинь и Франсиско Мартин-Мартинес в МТИ. Работа выполнена при поддержке американского Управления военно-морских исследований и Национальный институт здоровья.
