想要創造一種可能具有有用特性的全新蛋白質?沒問題。只是哼幾個酒吧。

在科學與藝術的驚人結合中，麻省理工學院的研究人員開發出一種系統，用于將蛋白質的分子結構(所有生物的基本構建塊)轉換為類似音樂段落的可聽聲音。然后，逆轉這個過程，他們可以在音樂中引入一些變化，并將其轉換回自然界中從未見過的新蛋白質。

雖然它不像哼唱新蛋白質那么簡單，但新系統卻很接近。它提供了一種將蛋白質的氨基酸序列翻譯成音樂序列的系統方法，利用分子的物理特性來確定聲音。雖然聲音被轉置以使它們在人類的可聽范圍內，但是音調及其關系是基于每個氨基酸分子本身的實際振動頻率，使用量子化學的理論計算。

該系統由邁克菲工程學教授兼麻省理工學院土木與環境工程系主任Markus Buehler以及博士后Chi Hua Yu和其他兩位人員共同開發。正如ACS Nano雜志所述，該系統將20種氨基酸轉化為20色調，這些氨基酸是連接在一起形成所有蛋白質的構建模塊。然后，任何蛋白質的長序列氨基酸都會成為一系列的音符。

雖然對于習慣于西方音樂傳統的人來說，這種音階聽起來并不熟悉，但聽眾在熟悉聲音后可以很容易地認識到這種關系和差異。Buehler說，在聽完所產生的旋律之后，他現在能夠區分對應于具有特定結構功能的蛋白質的某些氨基酸序列。“這是一張測試版，”他可能會說，或者說“這是一個alpha螺旋線”。

學習蛋白質的語言

Buehler解釋說，整個概念是為了更好地理解蛋白質及其各種變異。蛋白質構成皮膚，骨骼和肌肉的結構材料，但也是酶，信號化學物質，分子開關，以及構成所有生物機器的許多其他功能材料。但是它們的結構，包括它們將自身折疊成通常決定其功能的形狀的方式，都非常復雜。“他們有自己的語言，我們不知道它是如何運作的，”他說。“我們不知道是什么使絲蛋白成為絲蛋白或什么模式反映了酶中發現的功能。我們不知道代碼。”

通過將該語言翻譯成人類特別適應的不同形式，并允許信息的不同方面以不同的維度編碼 - 音調，音量和持續時間 - Buehler和他的團隊希望收集新的見解。不同蛋白質家族及其變異之間的關系和差異，并將其用作探索其結構和功能的許多可能的調整和修改的方式。與音樂一樣，蛋白質的結構是分層的，在不同的長度或時間尺度上具有不同的結構水平。

然后，該團隊使用人工智能系統研究由各種不同蛋白質產生的旋律目錄。他們讓AI系統在音樂序列中引入了微小的變化或創建了全新的序列，然后將聲音翻譯成與修改或新設計版本相對應的蛋白質。通過這個過程，他們能夠創造出現有蛋白質的變體 - 例如在蜘蛛絲中發現的一種蛋白質，這是自然界中最強的物質之一 - 從而制造出與進化產生的蛋白質不同的新蛋白質。

雖然研究人員本身可能不了解基本規則，但“人工智能已經學會了蛋白質的設計語言”，它可以對其進行編碼，以創建現有版本的變體，或全新的蛋白質設計，Buehler說。他說，鑒于存在“數萬億和數萬億”的潛在組合，當涉及到創造新的蛋白質時，“你將無法從頭開始，但這就是人工智能所能做到的。”

“組成”新蛋白質

通過使用這樣一個系統，他說用一組特定蛋白質的數據訓練AI系統可能需要幾天時間，但它可以在幾微秒內產生一個新變種的設計。“沒有其他方法可以接近，”他說。“缺點是模型沒有告訴我們里面究竟發生了什么。我們只知道它有效。”

這種將結構編碼為音樂的方式確實反映了更深層次的現實。“當你在教科書中看一個分子時，它是靜態的，”Buehler說。“但它根本不是靜止的。它在移動和振動。每一點物質都是一組振動。我們可以用這個概念來描述物質。”

該方法還不允許任何類型的定向修改 - 諸如機械強度，彈性或化學反應性的任何性質變化將基本上是隨機的。“你仍然需要做實驗，”他說。當一種新的蛋白質變體產生時，“沒有辦法預測它會做什么。”

該團隊還創作了由氨基酸聲音開發的音樂作品，定義了這種新的20音音階。他們構造的藝術作品完全由氨基酸產生的聲音組成。“沒有使用合成或自然樂器，展示了這種新的聲音源如何被用作創意平臺，”Buehler說。在整個實施例中使用源自天然存在的蛋白質和AI產生的蛋白質的音樂圖案，并且所有聲音，包括類似于低音或小鼓的聲音，也是由氨基酸的聲音產生的。

研究人員創建了一款免費的Android智能手機應用程序，稱為氨基酸合成器，用于播放氨基酸的聲音并將蛋白質序列記錄為音樂作品。