Vous voulez créer un tout nouveau type de protéine qui pourrait avoir des propriétés utiles ? Aucun problème. Juste fredonner quelques mesures.

Dans un mariage surprenant de science et d'art, des chercheurs du MIT ont développé un système de conversion des structures moléculaires des protéines, les éléments de base de tous les êtres vivants, en un son audible qui ressemble à des passages musicaux. Puis, inverser le processus, ils peuvent introduire des variations dans la musique et la reconvertir en de nouvelles protéines jamais vues auparavant dans la nature.

Bien que ce ne soit pas aussi simple que de fredonner une nouvelle protéine, le nouveau système se rapproche. Il fournit un moyen systématique de traduire la séquence d'acides aminés d'une protéine en une séquence musicale, en utilisant les propriétés physiques des molécules pour déterminer les sons. Bien que les sons soient transposés pour les ramener dans le domaine audible pour l'homme, les tons et leurs relations sont basés sur les fréquences vibratoires réelles de chaque molécule d'acide aminé elle-même, calculé à l'aide des théories de la chimie quantique.

Le système a été développé par Markus Buehler, le professeur d'ingénierie McAfee et chef du département de génie civil et environnemental du MIT, ainsi que le postdoctorant Chi Hua Yu et deux autres. Comme décrit dans le journal ACS Nano , le système traduit les 20 types d'acides aminés, les éléments constitutifs qui s'assemblent en chaînes pour former toutes les protéines, dans une échelle de 20 tons. La longue séquence d'acides aminés de toute protéine devient alors une séquence de notes.

Alors qu'une telle échelle semble peu familière aux personnes habituées aux traditions musicales occidentales, les auditeurs peuvent facilement reconnaître les relations et les différences après s'être familiarisés avec les sons. Buehler dit qu'après avoir écouté les mélodies résultantes, il est maintenant capable de distinguer certaines séquences d'acides aminés qui correspondent à des protéines ayant des fonctions structurelles spécifiques. "C'est une feuille bêta, " pourrait-il dire, ou "c'est une hélice alpha".

Apprendre le langage des protéines

L'ensemble du concept, Buehler explique, est de mieux comprendre les protéines et leur vaste gamme de variations. Les protéines constituent le matériau structurel de la peau, OS, et musculaire, mais sont aussi des enzymes, produits chimiques de signalisation, commutateurs moléculaires, et une foule d'autres matériaux fonctionnels qui constituent la machinerie de tous les êtres vivants. Mais leurs structures, y compris la façon dont ils se plient dans les formes qui déterminent souvent leurs fonctions, sont excessivement compliqués. "Ils ont leur propre langue, et nous ne savons pas comment cela fonctionne, " dit-il. "Nous ne savons pas ce qui fait d'une protéine de soie une protéine de soie ou quels modèles reflètent les fonctions trouvées dans une enzyme. Nous ne connaissons pas le code."

En traduisant cette langue dans une forme différente à laquelle les humains sont particulièrement bien adaptés, et qui permet à différents aspects de l'information d'être codés dans différentes dimensions - hauteur, le volume, et la durée—Buehler et son équipe espèrent glaner de nouvelles informations sur les relations et les différences entre les différentes familles de protéines et leurs variations, et utilisez-le comme un moyen d'explorer les nombreux ajustements et modifications possibles de leur structure et de leur fonction. Comme pour la musique, la structure des protéines est hiérarchique, avec différents niveaux de structure à différentes échelles de durée ou de temps.

L'équipe a ensuite utilisé un système d'intelligence artificielle pour étudier le catalogue de mélodies produites par une grande variété de protéines différentes. Ils ont demandé au système d'IA d'introduire de légers changements dans la séquence musicale ou de créer des séquences complètement nouvelles, puis traduit les sons en protéines qui correspondent aux versions modifiées ou nouvellement conçues. Avec ce processus, ils ont pu créer des variations de protéines existantes, par exemple celle trouvée dans la soie d'araignée, l'un des matériaux les plus solides de la nature, créant ainsi de nouvelles protéines différentes de celles produites par l'évolution.

Bien que les chercheurs eux-mêmes ne connaissent peut-être pas les règles sous-jacentes, « l'IA a appris le langage de la conception des protéines, " et il peut l'encoder pour créer des variations de versions existantes, ou des conceptions de protéines complètement nouvelles, dit Buehler. Étant donné qu'il existe « des trillions et des trillions » de combinaisons potentielles, il dit, quand il s'agit de créer de nouvelles protéines "vous ne seriez pas capable de le faire à partir de zéro, mais c'est ce que l'IA peut faire."

"Composer" de nouvelles protéines

En utilisant un tel système, il dit que la formation du système d'IA avec un ensemble de données pour une classe particulière de protéines pourrait prendre quelques jours, mais il peut alors produire une conception pour une nouvelle variante en quelques microsecondes. "Aucune autre méthode ne s'en approche, " dit-il. " L'inconvénient est que le modèle ne nous dit pas ce qui se passe vraiment à l'intérieur. Nous savons juste que cela fonctionne."

Cette façon d'encoder la structure dans la musique reflète une réalité plus profonde. « Quand vous regardez une molécule dans un manuel, c'est statique, " Buehler dit. "Mais ce n'est pas du tout statique. Il bouge et vibre. Chaque morceau de matière est un ensemble de vibrations. Et nous pouvons utiliser ce concept comme un moyen de décrire la matière."

La méthode ne permet pas encore de modifications dirigées - aucun changement dans les propriétés telles que la résistance mécanique, élasticité, ou la réactivité chimique sera essentiellement aléatoire. "Vous devez encore faire l'expérience, " dit-il. Lorsqu'une nouvelle variante de protéine est produite, "il n'y a aucun moyen de prédire ce qu'il va faire."

L'équipe a également créé des compositions musicales développées à partir des sons d'acides aminés, qui définissent cette nouvelle gamme musicale à 20 tons. Les œuvres d'art qu'ils ont construites sont entièrement constituées de sons générés à partir d'acides aminés. "Il n'y a pas d'instruments synthétiques ou naturels utilisés, montrer comment cette nouvelle source de sons peut être utilisée comme plateforme créative, " dit Buehler. Des motifs musicaux dérivés à la fois de protéines existantes naturellement et de protéines générées par l'IA sont utilisés dans les exemples, et tous les sons, dont certains ressemblent à des grosses caisses ou des caisses claires, sont également générés à partir des sons des acides aminés.

Les chercheurs ont créé une application gratuite pour smartphone Android, appelé synthétiseur d'acides aminés, pour jouer les sons des acides aminés et enregistrer des séquences de protéines sous forme de compositions musicales.