研究人員可以深入了解蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)并創(chuàng)造新的變異

想要創(chuàng)造一種可能具有有用特性的全新蛋白質(zhì)?沒問題。只是哼幾個酒吧。

在科學(xué)與藝術(shù)的驚人結(jié)合中，麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出一種系統(tǒng)，用于將蛋白質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)(所有生物的基本構(gòu)建塊)轉(zhuǎn)換為類似音樂段落的可聽聲音。然后，逆轉(zhuǎn)這個過程，他們可以在音樂中引入一些變化，并將其轉(zhuǎn)換回自然界中從未見過的新蛋白質(zhì)。

雖然它不像哼唱新蛋白質(zhì)那么簡單，但新系統(tǒng)卻很接近。它提供了一種將蛋白質(zhì)的氨基酸序列翻譯成音樂序列的系統(tǒng)方法，利用分子的物理特性來確定聲音。雖然聲音被轉(zhuǎn)置以使它們在人類的可聽范圍內(nèi)，但是音調(diào)及其關(guān)系是基于每個氨基酸分子本身的實際振動頻率，使用量子化學(xué)的理論計算。

該系統(tǒng)由邁克菲工程學(xué)教授兼麻省理工學(xué)院土木與環(huán)境工程系主任Markus Buehler以及博士后Chi Hua Yu和其他兩位人員共同開發(fā)。正如ACS Nano雜志所述，該系統(tǒng)將20種氨基酸轉(zhuǎn)化為20色調(diào)，這些氨基酸是連接在一起形成所有蛋白質(zhì)的構(gòu)建模塊。然后，任何蛋白質(zhì)的長序列氨基酸都會成為一系列的音符。

雖然對于習(xí)慣于西方音樂傳統(tǒng)的人來說，這種音階聽起來并不熟悉，但聽眾在熟悉聲音后可以很容易地認識到這種關(guān)系和差異。Buehler說，在聽完所產(chǎn)生的旋律之后，他現(xiàn)在能夠區(qū)分對應(yīng)于具有特定結(jié)構(gòu)功能的蛋白質(zhì)的某些氨基酸序列。“這是一張測試版，”他可能會說，或者說“這是一個alpha螺旋線”。

學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的語言

Buehler解釋說，整個概念是為了更好地理解蛋白質(zhì)及其各種變異。蛋白質(zhì)構(gòu)成皮膚，骨骼和肌肉的結(jié)構(gòu)材料，但也是酶，信號化學(xué)物質(zhì)，分子開關(guān)，以及構(gòu)成所有生物機器的許多其他功能材料。但是它們的結(jié)構(gòu)，包括它們將自身折疊成通常決定其功能的形狀的方式，都非常復(fù)雜。“他們有自己的語言，我們不知道它是如何運作的，”他說。“我們不知道是什么使絲蛋白成為絲蛋白或什么模式反映了酶中發(fā)現(xiàn)的功能。我們不知道代碼。”

通過將該語言翻譯成人類特別適應(yīng)的不同形式，并允許信息的不同方面以不同的維度編碼 - 音調(diào)，音量和持續(xù)時間 - Buehler和他的團隊希望收集新的見解。不同蛋白質(zhì)家族及其變異之間的關(guān)系和差異，并將其用作探索其結(jié)構(gòu)和功能的許多可能的調(diào)整和修改的方式。與音樂一樣，蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)是分層的，在不同的長度或時間尺度上具有不同的結(jié)構(gòu)水平。

然后，該團隊使用人工智能系統(tǒng)研究由各種不同蛋白質(zhì)產(chǎn)生的旋律目錄。他們讓AI系統(tǒng)在音樂序列中引入了微小的變化或創(chuàng)建了全新的序列，然后將聲音翻譯成與修改或新設(shè)計版本相對應(yīng)的蛋白質(zhì)。通過這個過程，他們能夠創(chuàng)造出現(xiàn)有蛋白質(zhì)的變體 - 例如在蜘蛛絲中發(fā)現(xiàn)的一種蛋白質(zhì)，這是自然界中最強的物質(zhì)之一 - 從而制造出與進化產(chǎn)生的蛋白質(zhì)不同的新蛋白質(zhì)。

雖然研究人員本身可能不了解基本規(guī)則，但“人工智能已經(jīng)學(xué)會了蛋白質(zhì)的設(shè)計語言”，它可以對其進行編碼，以創(chuàng)建現(xiàn)有版本的變體，或全新的蛋白質(zhì)設(shè)計，Buehler說。他說，鑒于存在“數(shù)萬億和數(shù)萬億”的潛在組合，當(dāng)涉及到創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)時，“你將無法從頭開始，但這就是人工智能所能做到的。”

“組成”新蛋白質(zhì)

通過使用這樣一個系統(tǒng)，他說用一組特定蛋白質(zhì)的數(shù)據(jù)訓(xùn)練AI系統(tǒng)可能需要幾天時間，但它可以在幾微秒內(nèi)產(chǎn)生一個新變種的設(shè)計。“沒有其他方法可以接近，”他說。“缺點是模型沒有告訴我們里面究竟發(fā)生了什么。我們只知道它有效。”

這種將結(jié)構(gòu)編碼為音樂的方式確實反映了更深層次的現(xiàn)實。“當(dāng)你在教科書中看一個分子時，它是靜態(tài)的，”Buehler說。“但它根本不是靜止的。它在移動和振動。每一點物質(zhì)都是一組振動。我們可以用這個概念來描述物質(zhì)。”

該方法還不允許任何類型的定向修改 - 諸如機械強度，彈性或化學(xué)反應(yīng)性的任何性質(zhì)變化將基本上是隨機的。“你仍然需要做實驗，”他說。當(dāng)一種新的蛋白質(zhì)變體產(chǎn)生時，“沒有辦法預(yù)測它會做什么。”

該團隊還創(chuàng)作了由氨基酸聲音開發(fā)的音樂作品，定義了這種新的20音音階。他們構(gòu)造的藝術(shù)作品完全由氨基酸產(chǎn)生的聲音組成。“沒有使用合成或自然樂器，展示了這種新的聲音源如何被用作創(chuàng)意平臺，”Buehler說。在整個實施例中使用源自天然存在的蛋白質(zhì)和AI產(chǎn)生的蛋白質(zhì)的音樂圖案，并且所有聲音，包括類似于低音或小鼓的聲音，也是由氨基酸的聲音產(chǎn)生的。

研究人員創(chuàng)建了一款免費的Android智能手機應(yīng)用程序，稱為氨基酸合成器，用于播放氨基酸的聲音并將蛋白質(zhì)序列記錄為音樂作品。