艺术与科学结合！这些科学家异想天开，把蛋白质编成了“摇滚乐”

 

组成蛋白质的20个氨基酸包含了以不同频率振动的化学键。近日，有科学家异想天开，竟将这些蛋白质编码成了“摇滚乐”。

Markus Buehler是麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)的材料科学家和工程师，他将这些信息与蛋白质复杂的折叠模式一起编码，以便将其表示为音量、速度和同时出现的旋律(在音乐理论中称为对位)等音乐属性。

研究人员随后将他们的工作向前推进了一大步。

通过将已知蛋白质产生的音乐片段输入神经网络，研究小组训练了人工智能系统，开发出这些节奏的新变体——即尚未存在的蛋白质的音乐表现形式。

Buehler和他的同事——麻省理工学院和中国的台湾成功大学的Chia-Hua Yu——通过测定新生成的蛋白质与已知蛋白质之间的差异，来控制新生成蛋白质的结构可能有多相似或多不同。

然后，研究人员建立了新设计的蛋白质的原子模型，以确定它们的稳定性。

Buehler和Yu本周在《APL Bioengineering》上描述了他们的发现。

蛋白质是所有生物的组成部分，从细胞膜到骨骼、软骨、皮肤和血液。设计新的蛋白质可以产生新一代的抗病药物、改良的酶和许多其他高性能的生物材料。

蛋白质的功能和稳定性不仅取决于其特定的氨基酸序列，还取决于其空间结构，即氨基酸是如何组装成一个扭曲或褶皱的三维结构。

Buehler认为，使用普通的算法或可视化程序来评估这些细节是很有挑战性的。

他指出，显微镜需要多次同时放大才能看到蛋白质的所有子结构。他说，相比之下，“我们的耳朵可以一下子记住所有的层次特征”。

“这是大脑获取储存在蛋白质中的信息的一种优雅方式。”

从探测癌症到分析太空天气，科学家们已经在许多其他研究领域使用了声化技术，即把信息转换成声音的过程，来更好地概念化数据。

“我们相信声音分析实际上可以帮助我们更好地理解物质世界科学，”Buehler说。

Buehler指出，将蛋白质结构转换成声音字节绝非随意之事。除作曲外，Buehler还会弹钢琴、弹吉他和打鼓。

例如，一种紧密排列的螺旋状蛋白质(称为阿尔法螺旋)的部分是通过快速连续的音符来描绘的，而形成较低密度的折叠结构的蛋白质(称为贝塔折叠)的演奏速度较慢。

蛋白质的重叠区域反映了其特有的三维折叠，用对位或重叠的旋律来表示。

一个蛋白质，因其复杂的折叠和许多接触点，可以产生有趣的音乐概念，可以帮助到蛋白质工程师。

“蛋白质结构和乐谱之间的关系非常清楚，有可能在一系列生物技术应用中识别出新的蛋白质，”英国诺丁汉特伦特大学(Nottingham Trent University)一个生物分子材料研究小组的负责人、化学家和法医学家Carole Perry评论道。

她补充说:“看到艺术和科学之间的相互作用产生新思想总是令人兴奋的。”

Buehler承认，要利用声音和神经网络来设计新的蛋白质，并不需要人类员工来解释生物交响乐。

他说:“如果我们想要以一种更艺术的方式使用(声化)，那么，当然，我们想要倾听和探索。”

“就像在一幅画中，新的蛋白质声音就像一个新的调色板，可以被发明出来——没有人见过的颜色——但现在可以用来创造艺术，” Buehler说。

这些声音包括新冠病毒SARS-CoV-2的表面蛋白和一种由三种蛋白质的声音化氨基酸组成的交响乐。

在后续的工作中，Buehler和他的同事们计划检查他们设计的蛋白质的结构，以确定这些分子的有用程度——通过将它们与已知的蛋白质进行比较或者在实验室中进行测试。

他们还可以通过增加折叠蛋白的弯曲角度等信息来改进声化方法。这种“分子电子乐”将继续进行。

原文来源：

https://www.scientificamerican.com/article/amino-acid-rock-music-helps-build-new-proteins1/

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