Создание новых белков с помощью искусственного интеллекта

Белки — это строительные блоки жизни, и ученые давно изучают, как можно улучшать белки и проектировать совершенно новые, способные выполнять новые функции.

Традиционно новые белки создаются либо путем имитации существующих, либо путем ручного редактирования аминокислот, из которых они состоят. Этот процесс трудоемок, и сложно предсказать влияние изменения любой из аминокислотных компонент белка.

В новом выпуске журнала APL Bioengineering исследователи из США и Тайваня представили метод создания новых белков с помощью машинного обучения, которое переводит структуры белков в музыкальные партитуры. Это необычный способ переноса физических концепций между разными областями.

Каждая из 20 аминокислот, составляющих белки, обладает уникальной частотой колебаний. Следовательно, химическую структуру целых белков можно представить в виде звуковых образов, используя известные концепции теории музыки: громкость нот, мелодию, аккорды и ритм. Конкретные генерируемые звуки, определяемые тем, как белок сворачивается, можно использовать для обучения глубоких нейронных сетей.

«Эти сети учатся понимать сложный язык свернутых белков, который они «говорят» на нескольких временных масштабах», — сказал Маркус Дж. Бюлер из Массачусетского технологического института. — «И как только компьютер получает начальную последовательность, он может экстраполировать и проектировать совершенно новые белки, импровизируя на основе этой первоначальной идеи, учитывая различные уровни музыкальных вариаций — контролируемых через температурный параметр — в процессе генерации».

Команда сравнила новые белки с большой базой данных, содержащей информацию обо всех известных белках, и использовала методы молекулярной динамики для равновесного анализа и характеризации с помощью анализа нормальных мод. Эти шаги показали, что метод может проектировать белки, которые природа еще не изобрела. Новые белки оказались стабильными, правильно свернутыми структурами. Ученые также создали алгоритм для материализации музыки — превращения звуковых волн в материю.

«Это открывает путь для создания совершенно новых биоматериалов», — сказал Бюлер. — «Или, например, вы находите в природе фермент и хотите улучшить его каталитические свойства или создать совершенно новые вариации белков».

Регулируя «температуру», можно увеличить количество вариаций, создаваемых алгоритмом. Затем можно измерить новые мутации, чтобы определить, какие из них наиболее эффективны в качестве ферментов.

«Белковая музыка» (https://soundcloud.com/user-275864738), открытая исследователями, также может помочь создать новые композиционные техники в классической музыке, проливая свет на ритмы и тона белков — метод, который Бюлер называет «материомузыкой».

«В эволюции белков на протяжении тысяч лет природа также дает нам новые идеи о том, как звуки могут сочетаться и сливаться», — сказал Бюлер.