哼唱一段旋律，AI就能创造一种 “全新” 蛋白质
文/学术头条
来源：学术头条(ID:SciTouTiao)
蛋白质在生命中的重要作用不言而喻，它是生命的基石。而我们机体内合成蛋白质的过程也是相当复杂，不仅涉及到氨基酸活化等一系列过程，还受体内各种生化物质的调控。此外，蛋白质复杂的三维折叠结构，让想要人工合成蛋白质的科学家们也望而却步。
当地时间3月17日，麻省理工学院科学家们给带来了一个新成果，他们通过将蛋白质的复杂结构转化成乐谱，随后给予电脑一个种子序列，人工智能系统就能设计出一种自然界中从未见过的“全新”蛋白质。
他们发现这个“全新”蛋白质不仅具有折叠结构，而且比较稳定。此外，这种“全新”蛋白在自然界中从未发现。可以说，该研究为制造蛋白质提供了一种独特的方法。该研究成果发表在APLBioengineering中。
该研究作者，麻省理工学院的MarkusJ.Buehler表示，这样一种方法为制造全新的生物材料铺平了道路。比如人们在自然界中发现了一种蛋白酶，就可以通过这种方法改进催化效率或产生新的蛋白变异。
众所周知，氨基酸是构成蛋白质的基本单位，要想人工制造出蛋白质，要么模仿现有的蛋白质，要么手工编辑组成蛋白质的氨基酸序列，但是这两个过程都十分耗时，而且改变氨基酸序列后对整个蛋白质结构和功能会产生什么影响，也很难预测。
“蛋白质一定有它自己的语言。”Buehler说。鉴于此，该团队尝试将蛋白质语言翻译成人们更容易理解的另一种形式-音乐，与音乐一样，蛋白质的结构也是分层的，在不同的长度或时间尺度上有不同的结构层次。
鉴于构成蛋白质的20种氨基酸，都有一个独特的振动频率(量子化学理论计算)，因此整个蛋白质的化学结构能够通过音乐理论中的音符、音量、旋律和节奏来描述。
该团队已于去年6月份成功开发出一套可以将蛋白质分子结构转化为声音的系统，该研究当时发表在ACSNano杂志。
该系统能够将自然界20种氨基酸转换成20个音调的音节，也就是说，构成任何一种蛋白质的氨基酸序列都能转换成一串音符。而蛋白质复杂的结构和功能信息也就编码在一段旋律的音调、音量和持续时间等维度中。
通过音乐来设计由氨基酸组成的蛋白质通过音乐来设计由氨基酸组成的蛋白质
然后，研究人员使用人工智能系统来研究多种不同蛋白质产生的旋律，他们让人工智能系统在音乐序列中引入微小的变化，随后将声音翻译回相对应的氨基酸序列。在生成蛋白的过程中，不同音乐的变化可通过控制温度参数来实现。
通过这个过程，研究人员能够创造出现有蛋白质的变体，例如基于在自然界最强材料之一的蜘蛛丝中发现的一种蛋白质，来制造出不同于任何生物进化产生的更强大的蛋白质。
而在今天发表的这项研究中，研究人员使用蛋白质折叠方式产生的特定声音来训练人工智能系统，当系统学会理解折叠蛋白的复杂语言后，他们给予系统一个种子序列，随后人工智能系统根据这个初始序列推断并设计出一种“全新”蛋白。
那么这个“全新”的蛋白是否存在与自然界中，是我们认识的已知蛋白质呢?
该研究团队通过将这个“全新”蛋白与所有目前已知蛋白信息的大型数据库进行比较，并使用普通模式分析其分子动力学和特征，最终证实通过人工智能设计的“全新”蛋白在自然界中尚未发现，而且这种“全新”蛋白质具有稳定的折叠结构。
此外，研究人员发现，通过阐明蛋白质的节奏和音调，也有助于在古典音乐中创造新的作曲技巧，这个方法被Buehler称为materiomusic。他表示，“在蛋白质数成千上万的进化过程中，自然界也给我们提供了声音如何组合的新思路”。
大家也可以一起听一下研究人员合成的一些蛋白质音乐：
https://soundcloud.com/user-275864738
参考资料：
https://www.eurekalert.org/emb_releases/2020-03/aiop-cnp031220.php
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5133026
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