Investigadores logran convertir las estructuras moleculares de las proteínas en sonidos

Estructuras moleculares de las proteínas. / Science.
Estructuras moleculares de las proteínas. / Science.

Al hacer esta conversión, los expertos obtienen información sobre las estructuras de proteínas y crean nuevas variaciones.

Investigadores logran convertir las estructuras moleculares de las proteínas en sonidos

En un sorprendente matrimonio de ciencia y arte, los investigadores han desarrollado un sistema para convertir las estructuras moleculares de las proteínas, los componentes básicos de todos los seres vivos, en un sonido audible que se asemeja a pasajes musicales. Luego, invirtiendo el proceso, pueden introducir algunas variaciones en la música y convertirla de nuevo 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 llevarlos dentro del rango audible para los humanos, los tonos y sus relaciones se basan en las frecuencias vibracionales reales de cada molécula de aminoácido, calculadas utilizando las 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 postdoc 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. Cualquier secuencia larga de aminoácidos de cualquier proteína se convierte en una secuencia de notas.

Si bien esta escala suena poco familiar 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 puede distinguir ciertas secuencias de aminoácidos que corresponden a proteínas con funciones estructurales específicas. "Eso es una hoja beta", podría decir, o "eso es una hélice alfa".

Aprendiendo el lenguaje de las proteínas

Todo el concepto, explica Buehler, es lograr un mejor manejo de la comprensión de las proteínas y su amplia gama de variaciones. Las proteínas constituyen el material estructural de la piel, los huesos y los músculos, pero también son enzimas, químicos de señalización, interruptores moleculares y una gran cantidad de otros materiales funcionales que conforman 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 complicadas. "Tienen su propio idioma y no sabemos cómo 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 lenguaje a una forma diferente a la que los humanos están particularmente bien sintonizados, y eso permite que diferentes aspectos de la información se codifiquen en diferentes dimensiones (tono, volumen y duración), Buehler y su equipo esperan obtener nuevos conocimientos. en las relaciones y diferencias entre las diferentes familias de proteínas y sus variaciones, y úselo 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 longitud 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 IA introdujera leves cambios en la secuencia musical o creara secuencias completamente nuevas, y luego tradujo los sonidos a proteínas que corresponden a las versiones modificadas o de nuevo diseño. Con este proceso, fueron capaces de crear variaciones de proteínas existentes, por ejemplo, una de las que se encuentran en la seda de araña, uno de los materiales más fuertes de la naturaleza, creando nuevas proteínas a diferencia de las producidas por la evolución.

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

"Componiendo" nuevas proteínas

Al usar un sistema de este tipo, dice que entrenar el sistema AI con un conjunto de datos para una clase particular de proteínas puede tomar algunos días, pero luego puede producir un diseño para una nueva variante en microsegundos. "Ningún otro método se acerca", dice. "El defecto es que el modelo no nos dice lo que realmente está sucediendo dentro. 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 está moviendo y vibrando. Cada parte de la 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 modificaciones dirigidas; cualquier cambio en las propiedades, como la resistencia mecánica, la elasticidad o la reactividad química será esencialmente aleatorio. "Todavía 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 piezas de arte que construyeron consisten enteramente en los sonidos generados a partir de aminoácidos. "No se utilizan instrumentos sintéticos o naturales, lo que demuestra cómo esta nueva fuente de sonidos se puede utilizar como una plataforma creativa", dice Buehler. Los motivos musicales derivados tanto de proteínas naturales como de proteínas generadas por la IA se usan a lo largo de los ejemplos, y todos los sonidos, incluidos algunos que se parecen a los bajos o las cajas, también se generan a partir de los sonidos de los aminoácidos.

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

 

 

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