Превращение молекулярных структур в звук: новый взгляд на белки и создание их вариаций
Исследователи из MIT разработали систему преобразования молекулярных структур белков в звуковые последовательности, напоминающие музыкальные фрагменты, и наоборот. Это позволяет "услышать" белки и создавать на основе изменённой музыки новые, не существующие в природе белковые структуры.
Как это работает
Система переводит 20 типов аминокислот — строительных блоков всех белков — в 20-тоновую звуковую шкалу. Длинная последовательность аминокислот в белке становится последовательностью нот.
- Основа звучания: Тоны и их соотношения основаны на реальных колебательных частотах каждой молекулы аминокислоты, вычисленных с помощью квантовой химии (звуки транспонированы в слышимый человеком диапазон).
- Распознавание структур: После прослушивания мелодий исследователи научились на слух распознавать последовательности, соответствующие определённым структурным элементам белков, например, бета-слоям или альфа-спиралям.
Цель и применение
Главная цель — лучше понять "язык" белков, их сложные структуры и функции. Перевод в звуковую форму, где информация кодируется в измерениях высоты тона, громкости и длительности, позволяет по-новому взглянуть на взаимосвязи между разными семействами белков.
Ключевое достижение: Используя искусственный интеллект (ИИ), система может:
- Анализировать "мелодии", созданные разнообразными белками.
- Вносить в музыкальную последовательность небольшие изменения или генерировать совершенно новые последовательности.
- Преобразовывать эти звуки обратно в соответствующие модифицированные или заново спроектированные белки.
Таким образом были созданы вариации существующих белков (например, белка паучьего шёлка), не встречающиеся в природе.
Возможности и ограничения
- Скорость: Обучение ИИ на данных определённого класса белков может занять несколько дней, но генерация дизайна нового варианта происходит за микросекунды.
- Случайность изменений: Пока система не позволяет целенаправленно менять свойства (прочность, эластичность). Изменения носят случайный характер, и для проверки результата необходим эксперимент: "Невозможно предсказать, что он будет делать".
- Глубина понимания: Как отмечает руководитель исследования Маркус Бюлер: "Недостаток в том, что модель не говорит нам, что на самом деле происходит внутри. Мы просто знаем, что это работает".
Наука как искусство
Исследователи также создали музыкальные композиции, полностью состоящие из звуков аминокислот, без использования синтетических или натуральных инструментов. Это демонстрирует новый творческий платформу на основе научных данных.
Для широкой аудитории разработано бесплатное приложение для Android Amino Acid Synthesizer, которое позволяет проигрывать звуки аминокислот и записывать белковые последовательности как музыкальные произведения.