Muzyka pisana... białkiem? Rewolucyjne odkrycie naukowców

Świat muzyków i umysłów ścisłych nie może wyjść z podziwu: oto sztuka zawarła związek z nauką. Naukowcy opracowali system przeznaczony do przekształcania struktur molekularnych białek, czyli podstawowych elementów składowych wszystkich żywych istot, w dźwięki. I to nie byle jakie – dają się usłyszeć ludzkim uchem i faktycznie przypominają fragmenty jakiegoś muzycznego dzieła. Następnie, po odwróceniu tego procesu możliwe jest wprowadzenie pewnych zmian w otrzymanym efekcie dźwiękowym. To z kolei pozwala przekształcić „partyturę” w nowe białka, nigdy wcześniej niedostępne w naturze.

Etiuda białkowa – czy to możliwe?

Chcesz stworzyć zupełnie nowy rodzaj białka, które może mieć pożyteczne właściwości? Nie ma problemu. I chociaż nie wystarczy zanucenie kilku taktów, by natychmiastowo powstał związek organiczny, naukowcy opracowali innowację, która może wnieść wiele dobrego do świata nauki.

Pewne procesy naukowe umożliwiają w uporządkowany sposób przekładać sekwencje aminokwasów białka na język sekwencji muzycznych. Wszystko to staje się możliwe dzięki wykorzystaniu fizycznych właściwości cząsteczek do określania dźwięków. Chociaż są transponowane do poziomu słyszalnego dla człowieka, dźwięki opierają się na rzeczywistych częstotliwościach drgań każdej cząsteczki aminokwasu, obliczonych na bazie teorii chemii kwantowej.

System został opracowany m.in. przez Markusa Buehlera, profesora inżynierii McAfee i szefa Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska w Massachusetts Institute of Technology. Jak opisano w czasopiśmie ACS Nano, system dokonuje przekładu 20 rodzajów aminokwasów – cegiełek, które łączą się w łańcuchy, tworząc białka – w 20-tonową skalę. Sekwencja aminokwasów każdego białka staje się zatem sekwencją nut.

Choć taka skala wydaje się osobliwa z perspektywy ludzi przyzwyczajonych do muzyki tworzonej w obrębie popularnej systematyki dur-moll, słuchacze mogą łatwo wychwycić interwały i różnice w wysokościach dźwięków po zapoznaniu się z nimi. Buehler przyznał, że poprzez wysłuchanie powstałych melodii był w stanie rozróżnić sekwencje aminokwasowe, które odpowiadają białkom o określonych funkcjach strukturalnych.

Nauka języka białek

Jak wyjaśnił Buehler, cały koncept polega na lepszym zrozumieniu białek i ich szerokiej gamy odmian. Białka współtworzą materiał strukturalny skóry, kości i mięśni, ale są także enzymami, nośnikami w procesie sygnalizacji komórkowej, przełącznikami molekularnymi. Generalnie – pełnią bardzo ważną rolę w każdym żywym organizmie. Jednak ich struktury, w tym sposób, w jaki składają się w sekwencje określające ich funkcje, są niezwykle skomplikowane. Naukowiec stwierdził, że mają one swój własny język i człowiek nie był w stanie jeszcze poznać jego metodyki. Powołał się na przykład mówiący o tym, że nie jest wiadome, co sprawia, że  białko pajęczej nici jest białkiem pajęczej nici, lub jakie wzorce są odzwierciedleniem funkcji danego enzymu.

Buehler wraz z resztą zespołu naukowców mają nadzieję na uzyskanie nowych informacji na temat zależności i różnic między poszczególnymi rodzinami białek i ich odmianami. Chcą to wykorzystać jako sposób na przetestowanie możliwości ich ulepszenia, w tym modyfikacji ich struktur i funkcji. Podobnie jak w przypadku muzyki, struktura białek jest hierarchiczna.

Chcą to zrobić poprzez przedstawienie języka białek w postaci, do której ludzie są przyzwyczajeni i która pozwala na zakodowanie różnych informacji w różnych aspektach – wysokości, głośności i długości. Następnie zespół wykorzystał sztuczną inteligencję do przeanalizowania melodii wytwarzanych przez wiele różnych białek. Poprzez użycie tego systemu wprowadzono niewielkie zmiany w sekwencji muzycznej lub stworzono całkowicie nowe sekwencje. Następnie przełożono język dźwięków na język białek. Efekty tego procesu odpowiadały zmodyfikowanym lub nowo zaprojektowanym wersjom. Dzięki temu procesowi udało się przeprowadzić modyfikacje istniejących białek – na przykład takich, które można znaleźć w nici pająka, jednym z najsilniejszych materiałów biologicznych – tworząc w ten sposób nowe białka, które nie powstały naturalnie.

Chociaż sami naukowcy mogą nie mieć pełnej orientacji w tym temacie, sztuczna inteligencja nauczyła się języka projektowania białek. Dzięki temu może je zakodować w celu stworzenia wariantów istniejących wersji lub całkowicie nowych protein. Biorąc pod uwagę, że istnieje niezliczona ilość potencjalnych kombinacji, Buehler podał jeden kluczowy fakt. Według naukowca, jeśli chodzi o tworzenie zupełnie nowych białek, nie da się zrobić tego od zera samodzielnie. Może tu pomóc tylko sztuczna inteligencja.

Komponowanie nowych białek

Programowanie systemu sztucznej inteligencji z wykorzystaniem zestawu danych dla określonych białek może zająć kilka dni. Warto jednak zauważyć, że następnie sztuczna inteligencja może w ciągu mikrosekund stworzyć projekt innowacyjnego rozwiązania dzięki zastosowaniu takiego systemu. Wadą przedstawionego systemu jest to, że taki model nie mówi nam, co naprawdę dzieje się w środku. Naukowcy po prostu wiedzą, że działa.

Sposób kodowania struktur białkowych w formie muzyki ukazuje temat w całkiem nowym świetle. Kiedy przeciętna osoba spojrzy na model cząsteczki w podręczniku, nie rusza się ona. Jednak w rzeczywistości wcale tak nie jest – cząsteczki poruszają się, wykazują drgania... żyją, jednym słowem. Każda cząstka materii wykazuje drgania. A to może rzeczywiście stać się nowym sposobem opisywania rzeczywistości.

Metoda ta nie pozwala jeszcze na jakiekolwiek usystematyzowane modyfikacje – obejmujące wszelkie zmiany właściwości, takich jak wytrzymałość mechaniczna, elastyczność lub reaktywność chemiczna. Nadal wymagane jest przeprowadzenie eksperymentu, ponieważ kiedy powstaje nowe białko, nie da się przewidzieć, jak będzie się zachowywać.

Naukowcy stworzyli także kompozycje muzyczne opracowane na bazie dźwięków pochodzących z przekładu aminokwasów, które tworzą tę nową 20-tonową skalę muzyczną. Owszem, nie musisz przecierać oczu: nowo powstałe dzieła sztuki składają się tylko z dźwięków generowanych przez aminokwasy.

Nie wykorzystano tutaj żadnych instrumentów akustycznych ani elektronicznych. Pokazuje to, w jaki sposób nowo odkryte źródło dźwięków można wykorzystać w kreatywny sposób. Powstała nawet bezpłatna aplikacja na smartfony z systemem Android. Nosi ona nazwę „Amino Acid Synthesizer” i pozwala odtwarzać dźwięki aminokwasów oraz utrwalać sekwencje białkowe jako kompozycje muzyczne.