把蛋白质翻译成音乐,然后再回来

想要创造一种全新的蛋白质,可能有有用的性质?没有问题。哼几小节。

麻省理工学院(MIT)的研究人员将科学与艺术惊人地结合起来,开发出一套系统,可以将蛋白质的分子结构(所有生物的基本组成部分)转换成类似于音乐段落的可听声音。然后,通过逆转这一过程,他们可以在音乐中引入一些变化,并将其转化为自然界中从未见过的新蛋白质。

虽然这并不像哼唱一种新蛋白质的存在那么简单,但这个新系统已经很接近了。它提供了一种将蛋白质的氨基酸序列转换成音乐序列的系统方法,利用分子的物理特性来确定声音。虽然这些声音是为了让人类能够听到而被调换的,但是这些音调和它们之间的关系是基于每个氨基酸分子本身的实际振动频率,这些振动频率是用量子化学理论计算出来的。

该系统由麻省理工学院(MIT)土木与环境工程系系主任、McAfee工程学教授马库斯•比勒(Markus Buehler)、博士后迟华宇(Chi Hua Yu)和另外两人共同开发。正如今天发表在ACS Nano杂志上的描述,该系统将20种氨基酸转换成20个音调的音阶。氨基酸是组成蛋白质链的组成部分。任何蛋白质的氨基酸长序列都会变成音符序列。

对于习惯了西方音乐传统的人来说,这样的音阶听起来并不熟悉,但是当听众熟悉了这些声音之后,他们很容易就能辨别出它们之间的关系和区别。比勒说,在听了这些旋律后,他现在能够分辨出特定的氨基酸序列,这些氨基酸序列与具有特定结构功能的蛋白质相对应。他可能会说:“这是一个贝塔表,或者是一个阿尔法螺旋。”

学习蛋白质的语言

比勒解释说,整个概念是为了更好地理解蛋白质及其大量的变异。蛋白质构成了皮肤、骨骼和肌肉的结构材料,同时也是酶、信号化学物质、分子开关和许多其他功能材料,构成了所有生物的机械。但是它们的结构,包括它们折叠成决定它们功能的形状的方式,是极其复杂的。“他们有自己的语言,而我们不知道它是如何运作的,”他说。“我们不知道是什么使丝蛋白成为丝蛋白,也不知道什么样的图案反映了酶的功能。我们不知道密码。”

语言翻译成另一种形式的人类尤其合拍,这允许将不同方面的信息编码在不同的维度——音高,体积,和持续时间——比勒和他的团队希望收集的新见解不同家庭之间的关系和差异蛋白质及其变化,并以此作为一种探索的许多可能的调整和修改他们的结构和功能。与音乐一样,蛋白质的结构也是分层的,在不同的长度或时间尺度上有不同的结构层次。

这种新方法将蛋白质的氨基酸序列转换成这种敲击和有节奏的声音序列。马库斯·布勒提供。

然后,研究小组使用人工智能系统来研究由多种不同蛋白质产生的旋律。他们让人工智能系统在音乐序列中引入微小的变化,或者创造出全新的序列,然后将声音翻译回与修改过的或新设计的版本相对应的蛋白质。通过这个过程,他们能够创造出现有蛋白质的变体——例如在自然界最强的材料之一蜘蛛丝中发现的一种蛋白质——从而制造出不同于任何进化产生的新蛋白质。

这里听到的敲击、节奏和音乐的声音完全是由氨基酸序列产生的。马库斯·布勒提供。

尽管研究人员自己可能不知道潜在的规则,“人工智能已经学会了蛋白质是如何设计的语言,”它可以对其编码,创造现有版本的变体,或全新的蛋白质设计,比勒说。他说,考虑到有“数万亿种”潜在的组合,当涉及到创造新的蛋白质时,“你不可能从零开始,但这正是人工智能所能做的。”

“组合”的新蛋白质

他说,通过使用这样一个系统,用一组特定种类蛋白质的数据来训练人工智能系统可能需要几天的时间,但它可以在几微秒内设计出一种新的变体。“没有其他方法能与之媲美,”他说。“缺点是这个模型没有告诉我们里面到底发生了什么。我们只知道它管用。”

这种将结构编码到音乐中的方式确实反映了更深层次的现实。“当你在教科书上看到一个分子,它是静态的,”比勒说。“但它根本不是静止的。它在运动和振动。每一点物质都是一组振动。我们可以用这个概念来描述物质。”

该方法还不允许任何形式的定向修改——任何性质的变化,如机械强度、弹性或化学反应性,本质上将是随机的。“你仍然需要做这个实验,”他说。当一种新的蛋白质变异产生时,“没有办法预测它会发生什么。”

该团队还创作了由氨基酸的声音发展而来的音乐作品,这些氨基酸定义了这种新的20音音阶。他们建造的艺术品完全由氨基酸产生的声音组成。比勒说:“目前还没有使用合成或天然的乐器来证明这种新的声音来源可以被用作一个创造性的平台。”从自然存在的蛋白质和人工智能生成的蛋白质中提取的音乐主题贯穿整个例子,所有的声音,包括一些类似于低音或军鼓的声音,也来自氨基酸的声音。

研究人员开发了一款名为“氨基酸合成器”(Amino Acid Synthesizer)的免费安卓智能手机应用程序,可以播放氨基酸的声音,并将蛋白质序列录制成音乐。

”马库斯·比勒最有创意的灵魂天赋,和他的探索生物分子的内部运作推进我们对生物材料的力学响应的理解最重要的方式,”马克·迈耶斯说,加州大学的材料科学教授在圣地亚哥,他并没有参与这项工作。

迈尔斯补充说:“这种对音乐的想象是一个新颖而有趣的方向。这是最好的实验音乐。生命的节奏,包括我们心脏的搏动,是重复的声音的最初来源,产生了美妙的音乐世界。马库斯已经进入纳米空间,提取构成生命的氨基酸的韵律。”

该团队还包括麻省理工学院的研究科学家赵勤和弗朗西斯科马丁-马丁内斯。这项工作得到了美国海军研究办公室和美国国立卫生研究院的支持。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/translating-proteins-music-0626

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