Vuoi creare un nuovo tipo di proteina che potrebbe avere proprietà utili? Nessun problema. Canticchia solo qualche battuta.

In un sorprendente connubio tra scienza e arte, ricercatori del MIT hanno sviluppato un sistema per convertire le strutture molecolari delle proteine, gli elementi costitutivi di base di tutti gli esseri viventi, in un suono udibile che assomiglia a passaggi musicali. Quindi, invertire il processo, possono introdurre alcune variazioni nella musica e riconvertirla in nuove proteine ​​mai viste prima in natura.

Anche se non è così semplice come far nascere una nuova proteina, il nuovo sistema si avvicina. Fornisce un modo sistematico di tradurre la sequenza di amminoacidi di una proteina in una sequenza musicale, utilizzando le proprietà fisiche delle molecole per determinare i suoni. Sebbene i suoni siano trasposti per portarli all'interno della gamma udibile per l'uomo, i toni e le loro relazioni si basano sulle effettive frequenze vibrazionali di ciascuna molecola di aminoacidi stessa, calcolato utilizzando le teorie della chimica quantistica.

Il sistema è stato sviluppato da Markus Buehler, il McAfee Professor of Engineering e capo del Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale del MIT, insieme al postdoc Chi Hua Yu e altri due. Come descritto nella rivista ACS Nano , il sistema traduce i 20 tipi di amminoacidi, i mattoni che si uniscono in catene per formare tutte le proteine, in una scala di 20 toni. La lunga sequenza di amminoacidi di qualsiasi proteina diventa quindi una sequenza di note.

Mentre una tale scala suona poco familiare alle persone abituate alle tradizioni musicali occidentali, gli ascoltatori possono riconoscere prontamente le relazioni e le differenze dopo aver familiarizzato con i suoni. Buehler dice che dopo aver ascoltato le melodie risultanti, ora è in grado di distinguere alcune sequenze di amminoacidi che corrispondono a proteine ​​con specifiche funzioni strutturali. "Questo è un foglio beta, "potrebbe dire, o "questa è un'alfa elica".

Imparare il linguaggio delle proteine

L'intero concetto, Buehler spiega, consiste nel comprendere meglio le proteine ​​e la loro vasta gamma di variazioni. Le proteine ​​costituiscono il materiale strutturale della pelle, osso, e muscoli, ma sono anche enzimi, sostanze chimiche di segnalazione, interruttori molecolari, e una miriade di altri materiali funzionali che costituiscono il macchinario di tutti gli esseri viventi. Ma le loro strutture compreso il modo in cui si piegano nelle forme che spesso ne determinano le funzioni, sono estremamente complicati. "Hanno la loro lingua, e non sappiamo come funziona, " dice. "Non sappiamo cosa renda una proteina della seta una proteina della seta o quali modelli riflettano le funzioni trovate in un enzima. Non conosciamo il codice".

Traducendo quella lingua in una forma diversa a cui gli esseri umani sono particolarmente in sintonia, e che consente di codificare diversi aspetti dell'informazione in diverse dimensioni:passo, volume, e durata:Buehler e il suo team sperano di ottenere nuove informazioni sulle relazioni e le differenze tra le diverse famiglie di proteine ​​e le loro variazioni, e usalo come un modo per esplorare le molte possibili modifiche e modifiche della loro struttura e funzione. Come con la musica, la struttura delle proteine ​​è gerarchica, con diversi livelli di struttura a diverse scale di lunghezza o tempo.

Il team ha quindi utilizzato un sistema di intelligenza artificiale per studiare il catalogo di melodie prodotte da un'ampia varietà di proteine ​​diverse. Hanno fatto in modo che il sistema AI introducesse lievi modifiche nella sequenza musicale o creasse sequenze completamente nuove, e poi ha tradotto i suoni in proteine ​​che corrispondono alle versioni modificate o di nuova concezione. Con questo processo sono stati in grado di creare variazioni di proteine ​​esistenti, ad esempio una trovata nella seta di ragno, uno dei materiali più resistenti della natura, creando così nuove proteine ​​diverse da quelle prodotte dall'evoluzione.

Sebbene i ricercatori stessi potrebbero non conoscere le regole sottostanti, "l'IA ha imparato il linguaggio di come sono progettate le proteine, " e può codificarlo per creare variazioni di versioni esistenti, o progetti di proteine ​​completamente nuovi, dice Buehler. Dato che ci sono "trilioni e trilioni" di potenziali combinazioni, lui dice, quando si tratta di creare nuove proteine ​​"non saresti in grado di farlo da zero, ma questo è ciò che l'intelligenza artificiale può fare."

"Comporre" nuove proteine

Utilizzando un tale sistema, dice che addestrare il sistema di intelligenza artificiale con una serie di dati per una particolare classe di proteine ​​potrebbe richiedere alcuni giorni, ma può quindi produrre un progetto per una nuova variante in microsecondi. "Nessun altro metodo si avvicina, " dice. "Il difetto è che il modello non ci dice cosa sta realmente accadendo all'interno. Sappiamo solo che funziona".

Questo modo di codificare la struttura nella musica riflette una realtà più profonda. "Quando guardi una molecola in un libro di testo, è statico, " Buehler dice. "Ma non è affatto statico. Si muove e vibra. Ogni pezzo di materia è un insieme di vibrazioni. E possiamo usare questo concetto come un modo per descrivere la materia".

Il metodo non consente ancora alcun tipo di modifica diretta, qualsiasi cambiamento di proprietà come resistenza meccanica, elasticità, o la reattività chimica sarà essenzialmente casuale. "Devi ancora fare l'esperimento, " dice. Quando viene prodotta una nuova variante proteica, "non c'è modo di prevedere cosa farà."

Il team ha anche creato composizioni musicali sviluppate dai suoni degli amminoacidi, che definiscono questa nuova scala musicale a 20 toni. Le opere d'arte che hanno costruito sono costituite interamente dai suoni generati dagli amminoacidi. "Non vengono utilizzati strumenti sintetici o naturali, mostrando come questa nuova fonte di suoni può essere utilizzata come piattaforma creativa, " Dice Buehler. In tutti gli esempi vengono utilizzati motivi musicali derivati ​​sia da proteine ​​esistenti in natura che da proteine ​​generate dall'intelligenza artificiale, e tutti i suoni, compresi alcuni che ricordano il basso o il rullante, sono generati anche dai suoni degli amminoacidi.

I ricercatori hanno creato un'app gratuita per smartphone Android, chiamato sintetizzatore di aminoacidi, riprodurre i suoni degli amminoacidi e registrare sequenze proteiche come composizioni musicali.