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?jiǎng)?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(gè)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(gè)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(jiǎn)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(lái)確定聲音。雖然聲音被轉(zhuǎn)置以使它們?cè)谌祟惖目陕牱秶鷥?nèi)，但是音調(diào)及其關(guān)系是基于每個(gè)氨基酸分子本身的實(shí)際振動(dòng)頻率，使用量子化學(xué)的理論計(jì)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(zhǎng)序列氨基酸都會(huì)成為一系列的音符。

雖然對(duì)于習(xí)慣于西方音樂傳統(tǒng)的人來(lái)說(shuō)，這種音階聽起來(lái)并不熟悉，但聽眾在熟悉聲音后可以很容易地認(rèn)識(shí)到這種關(guān)系和差異。Buehler說(shuō)，在聽完所產(chǎn)生的旋律之后，他現(xiàn)在能夠區(qū)分對(duì)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(cè)試版，”他可能會(huì)說(shuō)，或者說(shuō)“這是一個(gè)alpha螺旋線”。

學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)的語(yǔ)言

Buehler解釋說(shuō)，整個(gè)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(hào)化學(xué)物質(zhì)，分子開關(guān)，以及構(gòu)成所有生物機(jī)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(yǔ)言，我們不知道它是如何運(yùn)作的，”他說(shuō)。“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(yǔ)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(shí)間 - Buehler和他的團(tuán)隊(duì)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(zhǎng)度或時(shí)間尺度上具有不同的結(jié)構(gòu)水平。

然后，該團(tuán)隊(duì)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(jì)版本相對(duì)應(yīng)的蛋白質(zhì)。通過這個(gè)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(qiáng)的物質(zhì)之一 - 從而制造出與進(jìn)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(huì)了蛋白質(zhì)的設(shè)計(jì)語(yǔ)言”，它可以對(duì)其進(jìn)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(jì)，Buehler說(shuō)。他說(shuō)，鑒于存在“數(shù)萬(wàn)億和數(shù)萬(wàn)億”的潛在組合，當(dāng)涉及到創(chuàng)造新的蛋白質(zhì)時(shí)，“你將無(wú)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(gè)系統(tǒng)，他說(shuō)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(shí)間，但它可以在幾微秒內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)新變種的設(shè)計(jì)。“沒有其他方法可以接近，”他說(shuō)。“缺點(diǎn)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(shí)反映了更深層次的現(xiàn)實(shí)。“當(dāng)你在教科書中看一個(gè)分子時(shí)，它是靜態(tài)的，”Buehler說(shuō)。“但它根本不是靜止的。它在移動(dòng)和振動(dòng)。每一點(diǎn)物質(zhì)都是一組振動(dòng)。我們可以用這個(gè)概念來(lái)描述物質(zhì)。”

該方法還不允許任何類型的定向修改 - 諸如機(jī)械強(qiáng)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(jī)的。“你仍然需要做實(shí)驗(yàn)，”他說(shuō)。當(dāng)一種新的蛋白質(zhì)變體產(chǎn)生時(shí)，“沒有辦法預(yù)測(cè)它會(huì)做什么。”

該團(tuán)隊(duì)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(tái)，”Buehler說(shuō)。在整個(gè)實(shí)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(fèi)的Android智能手機(jī)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。