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Künstliche Intelligenz setzt neue Proteine ​​- die Bausteine ​​des Lebens – als musikalische Partituren zusammen

Codieren Sie die Struktur und Faltung von Proteinen aus Aminosäuren

Verwenden Sie Partituren, um die Struktur und Faltung von Proteinen zu codieren, die aus Aminosäuren bestehen, von denen jede mit einem einzigartigen Klang vibriert. Bildnachweis: Markus J. Buehler

Verwenden Sie maschinelles Lernen, um neue Proteine ​​zu erstellen, indem Sie Proteine ​​in Partituren übersetzen.

Proteine ​​sind die Bausteine ​​des Lebens. Daher haben Wissenschaftler lange untersucht, wie sie Proteine ​​verbessern und völlig neue Proteine ​​entwerfen können, die neue Funktionen und Prozesse ausführen.

Traditionell werden neue Proteine ​​erstellt, indem entweder vorhandene Proteine ​​nachgeahmt oder das

Aminosäuren sind eine Reihe von organischen Verbindungen, die zum Aufbau von Proteinen verwendet werden. Es gibt ungefähr 500 natürlich vorkommende bekannte Aminosäuren, obwohl nur 20 im genetischen Code vorkommen. Proteine ​​bestehen aus einer oder mehreren Ketten von Aminosäuren, die als Polypeptide bezeichnet werden. Die Sequenz der Aminosäurekette bewirkt, dass sich das Polypeptid in eine biologisch aktive Form faltet. Die Aminosäuresequenzen von Proteinen sind in den Genen kodiert. Neun proteinogene Aminosäuren werden als “essentiell” für den Menschen bezeichnet, da sie vom menschlichen Körper nicht aus anderen Verbindungen hergestellt werden können und daher als Nahrung aufgenommen werden müssen.

“class =” glossaryLink “> Aminosäuren das sind die Proteine. Dieser Prozess ist jedoch zeitaufwändig und es ist schwierig, die Auswirkungen einer Änderung eines der Aminos vorherzusagen Acid Komponenten eines bestimmten Proteins.

In dieser Woche APL BioengineeringVon AIP Publishing untersuchen Forscher in den USA und Taiwan, wie neue Proteine ​​mithilfe von maschinellem Lernen hergestellt werden können, um Proteinstrukturen in Partituren zu übersetzen. Dies ist eine ungewöhnliche Methode, um physikalische Konzepte in unterschiedlichen Bereichen zu übersetzen.

Jede der 20 Aminosäuren, aus denen Proteine ​​bestehen, hat eine einzigartige Schwingungsfrequenz. Die chemische Struktur ganzer Proteine ​​kann folglich mit hörbaren Darstellungen unter Verwendung bekannter musiktheoretischer Konzepte wie Notenvolumen, Melodie, Akkorde und Rhythmus abgebildet werden. Die spezifischen Geräusche, die durch die Art und Weise, wie sich ein Protein faltet, erzeugt werden, können verwendet werden, um tief lernende neuronale Netze zu trainieren.

“Diese Netzwerke lernen, die komplexe Sprache zu verstehen, in der gefaltete Proteine ​​auf mehreren Zeitskalen sprechen”, sagte Markus J. Buehler vom Massachusetts Institute of Technology. “Und sobald der Computer einen Keim für eine Sequenz erhalten hat, kann er völlig neue Proteine ​​extrapolieren und entwerfen, indem er aus dieser ursprünglichen Idee heraus improvisiert und dabei verschiedene Ebenen musikalischer Variationen berücksichtigt – gesteuert durch einen Temperaturparameter – während der Erzeugung.”

Das Team verglich die neuen Proteine ​​mit einer großen Datenbank mit Informationen zu allen bekannten Proteinen und verwendete die molekulardynamische Äquilibrierung und Charakterisierung mithilfe einer Normalmodusanalyse. Durch diese Schritte zeigten die Forscher, dass die Methode Proteine ​​entwerfen kann, die die Natur noch nicht erfunden hat. Die neuen Proteine ​​scheinen stabile, gefaltete Designs zu sein, und Wissenschaftler haben einen Algorithmus entwickelt, um Musik von Schallwellen zu Materie zu materialisieren.

“Dies ebnet den Weg für die Herstellung völlig neuer Biomaterialien”, sagte Bühler. “Oder vielleicht finden Sie ein Enzym in der Natur und möchten verbessern, wie es katalysiert, oder neue Variationen von Proteinen entwickeln.”

Durch Anpassen der Temperatur kann die Anzahl der vom Algorithmus erzeugten Variationen erhöht werden. Die neuen Mutationen können gemessen werden, um beispielsweise festzustellen, welche als Enzyme am effektivsten sind.

Die von den Forschern entdeckte „Proteinmusik“ (SoundCloud anhören) könnte auch dazu beitragen, neue Kompositionstechniken in der klassischen Musik zu entwickeln, indem sie die Rhythmen und Töne von Proteinen beleuchtet, eine Methode, die Bühler als materiomusisch bezeichnet.

„Bei der Entwicklung von Proteinen über Jahrtausende gibt uns die Natur auch neue Ideen, wie Klänge kombiniert und zusammengeführt werden können“, sagte Bühler.

Referenz: „Sonifikationsbasiertes De-novo-Proteindesign unter Verwendung künstlicher Intelligenz, Strukturvorhersage und Analyse unter Verwendung molekularer Modellierung“ von Markus J. Buehler und Chi Hua Yu, 17. März 2020, APL Bioengineering.
DOI: 10.1063 / 1.5133026