¿Quiere crear un nuevo tipo de proteína que pueda tener propiedades útiles? No hay problema. Solo tararea algunos compases.

En un sorprendente matrimonio de ciencia y arte, Los investigadores del MIT han desarrollado un sistema para convertir las estructuras moleculares de las proteínas, los bloques de construcción básicos de todos los seres vivos, en un sonido audible que se asemeja a pasajes musicales. Luego, revertir el proceso, pueden introducir algunas variaciones en la música y convertirla en nuevas proteínas nunca antes vistas en la naturaleza.

Aunque no es tan simple como crear una nueva proteína, el nuevo sistema se acerca. Proporciona una forma sistemática de traducir la secuencia de aminoácidos de una proteína en una secuencia musical, utilizando las propiedades físicas de las moléculas para determinar los sonidos. Aunque los sonidos se transponen para ponerlos dentro del rango audible para los humanos, los tonos y sus relaciones se basan en las frecuencias vibratorias reales de cada molécula de aminoácido en sí, calculado utilizando teorías de la química cuántica.

El sistema fue desarrollado por Markus Buehler, el Profesor de Ingeniería de McAfee y jefe del Departamento de Ingeniería Civil y Ambiental del MIT, junto con el postdoctorado Chi Hua Yu y otros dos. Como se describe en la revista ACS Nano , el sistema traduce los 20 tipos de aminoácidos, los bloques de construcción que se unen en cadenas para formar todas las proteínas, en una escala de 20 tonos. La larga secuencia de aminoácidos de cualquier proteína se convierte en una secuencia de notas.

Si bien tal escala suena desconocida para las personas acostumbradas a las tradiciones musicales occidentales, los oyentes pueden reconocer fácilmente las relaciones y diferencias después de familiarizarse con los sonidos. Buehler dice que después de escuchar las melodías resultantes, ahora es capaz de distinguir ciertas secuencias de aminoácidos que corresponden a proteínas con funciones estructurales específicas. "Esa es una hoja beta, "él podría decir, o "eso es una hélice alfa".

Aprendiendo el lenguaje de las proteínas

Todo el concepto Buehler explica, es comprender mejor las proteínas y su amplia gama de variaciones. Las proteínas constituyen el material estructural de la piel, hueso, y musculo, pero también son enzimas, señalización de productos químicos, interruptores moleculares, y una gran cantidad de otros materiales funcionales que componen la maquinaria de todos los seres vivos. Pero sus estructuras, incluida la forma en que se pliegan en las formas que a menudo determinan sus funciones, son extremadamente complicados. "Tienen su propio idioma, y no sabemos como funciona ", dice." No sabemos qué hace que una proteína de seda sea una proteína de seda o qué patrones reflejan las funciones que se encuentran en una enzima. No conocemos el código ".

Al traducir ese idioma a una forma diferente a la que los humanos están particularmente bien adaptados, y que permite codificar diferentes aspectos de la información en diferentes dimensiones:tono, volumen, y duración:Buehler y su equipo esperan obtener nuevos conocimientos sobre las relaciones y diferencias entre las diferentes familias de proteínas y sus variaciones. y utilícelo como una forma de explorar los muchos ajustes y modificaciones posibles de su estructura y función. Al igual que con la música, la estructura de las proteínas es jerárquica, con diferentes niveles de estructura en diferentes escalas de duración o tiempo.

Luego, el equipo utilizó un sistema de inteligencia artificial para estudiar el catálogo de melodías producidas por una amplia variedad de proteínas diferentes. Hicieron que el sistema de inteligencia artificial introdujera cambios leves en la secuencia musical o creara secuencias completamente nuevas, y luego tradujo los sonidos de nuevo a proteínas que corresponden a las versiones modificadas o de nuevo diseño. Con este proceso pudieron crear variaciones de proteínas existentes, por ejemplo, una que se encuentra en la seda de araña, uno de los materiales más fuertes de la naturaleza, lo que produce nuevas proteínas diferentes a las producidas por la evolución.

Aunque es posible que los propios investigadores no conozcan las reglas subyacentes, "la IA ha aprendido el lenguaje de cómo se diseñan las proteínas, "y puede codificarlo para crear variaciones de versiones existentes, o diseños de proteínas completamente nuevos, Buehler dice. Dado que hay "billones y billones" de combinaciones potenciales, él dice, cuando se trata de crear nuevas proteínas "no podrías hacerlo desde cero, pero eso es lo que puede hacer la IA ".

"Composición" de nuevas proteínas

Al utilizar un sistema de este tipo, él dice que entrenar el sistema de inteligencia artificial con un conjunto de datos para una clase particular de proteínas podría llevar algunos días, pero luego puede producir un diseño para una nueva variante en microsegundos. "Ningún otro método se acerca ", dice." La deficiencia es que el modelo no nos dice lo que realmente está sucediendo en el interior. Simplemente sabemos que funciona ".

Esta forma de codificar la estructura en música refleja una realidad más profunda. "Cuando miras una molécula en un libro de texto, es estático, "Dice Buehler." Pero no es estático en absoluto. Se mueve y vibra. Cada pedacito de materia es un conjunto de vibraciones. Y podemos usar este concepto como una forma de describir la materia ".

El método aún no permite ningún tipo de modificación dirigida:ningún cambio en las propiedades, como la resistencia mecánica, elasticidad, o la reactividad química será esencialmente aleatoria. "Aún necesitas hacer el experimento, ", dice. Cuando se produce una nueva variante de proteína, "No hay forma de predecir lo que hará".

El equipo también creó composiciones musicales desarrolladas a partir de los sonidos de los aminoácidos, que definen esta nueva escala musical de 20 tonos. Las obras de arte que construyeron consisten enteramente en sonidos generados a partir de aminoácidos. "No se utilizan instrumentos sintéticos o naturales, mostrando cómo esta nueva fuente de sonidos se puede utilizar como plataforma creativa, "Dice Buehler. En los ejemplos se utilizan motivos musicales derivados tanto de proteínas existentes de forma natural como de proteínas generadas por IA, y todos los sonidos, incluyendo algunos que se asemejan a un bajo o una caja, también se generan a partir de los sonidos de los aminoácidos.

Los investigadores han creado una aplicación gratuita para teléfonos inteligentes Android, llamado sintetizador de aminoácidos, para reproducir los sonidos de los aminoácidos y grabar secuencias de proteínas como composiciones musicales.