Расшифровка шиповидного белка SARS-CoV-2 с помощью музыки

Профессор MIT Маркус Бюлер использует искусственный интеллект для проектирования новых белков, иногда переводя их структуру в звук. Его цель — создание новых биологических материалов.

Проектирование белков с помощью ИИ

В исследовании, опубликованном в Extreme Mechanics Letters, Бюлер и его коллеги с помощью ИИ предложили перспективный кандидат для увеличения срока годности скоропортящихся продуктов — шелковый белок медоносных пчел. Они обучили модель глубокого обучения на Protein Data Bank (базе данных, содержащей около 120 000 белков), чтобы предсказать структуру этого белка.

В другом исследовании в APL Bioengineering ИИ использовался для проектирования совершенно нового, не существующего в природе белка. Модель Бюлера использует сквозное предсказание (end-to-end prediction), напрямую переводя аминокислотную последовательность в трёхмерную структуру, что быстрее и точнее многих других методов.

Почему звук?

Звук — элегантный способ получить доступ к информации, закодированной в белке. Наши уши могут одновременно уловить множество иерархических особенностей: высоту тона, тембр, ритм. Белки можно представить как молекулярные вибрации, которые затем преобразуются в аудиопредставления с помощью нейронных сетей.

Музыка шиповидного белка SARS-CoV-2

В разгар пандемии COVID-19 Бюлер обратил внимание на шиповидный (spike) белок SARS-CoV-2. Его структура (три белковые цепи, сложенные в intricate pattern) была преобразована в полифоническую музыку (counterpoint music), где переплетающиеся цепи представлены как переплетающиеся мелодии.

Ключевые выводы из сонификации:

  • Музыка белка обманчиво приятна и расслабляющая, что аналогично способности вируса обманывать и эксплуатировать клетку-хозяина.
  • Вирусный геном захватывает аппарат производства белков клетки-хозяина, заставляя его реплицировать вирус.
  • Анализ вибрационных структур белка критически важен для разработки лекарств — они могут объяснить, почему спайк SARS-CoV-2 эффективнее связывается с человеческими клетками.

Перспективы применения

  1. Понимание вируса: Сравнение через сонификацию биохимических процессов шиповидного белка SARS-CoV-2 с предыдущими коронавирусами (SARS, MERS).
  2. Дизайн лекарств: Можно использовать композиционный подход для поиска белка или антитела, которое «соответствует мелодии и ритму» шиповидного белка и способно заблокировать его.
  3. Новые материалы: Этот подход позволяет на основе принципов, найденных в природе (например, контрапункта в белках и музыке Баха), с помощью ИИ говорить на языке дизайна белков и создавать новые структуры.

Ссылка на аудио: Viral Counterpoint of the Coronavirus Spike Protein (2019-nCoV) на SoundCloud.