麻省理工学院的科学家把氨基酸变成了音乐

麻省理工学院的科学家们将氨基酸的共振频率转换成可听到的音符。

将近七年前,麻省理工学院的科学家们将蛛丝中蛋白质的分子结构映射到音乐理论中,以产生蛛丝的“声音”,希望以此建立一种全新的方法来创造设计蛋白。去年秋天,这件作品甚至在巴黎举办了一场名为“蜘蛛的画布”(Spider’s Canvas)的声像艺术展览。艺术家Tomas Saraceno与麻省理工学院的工程师们合作,创作了一种互动的乐器,灵感来自于一只名为Cyrtophora citricola的蜘蛛的网络,“网络”中的每一根弦都被调成不同的音调。

现在麻省理工学院的材料工程师Markus Buehler和他的同事们带着一个更先进的系统回来了,这个系统可以利用蛋白质的结构来制作音乐,然后将其转化成自然界中从未见过的新蛋白质。该团队还为安卓智能手机开发了一款名为“氨基酸合成器”的免费应用程序,这样用户就可以根据氨基酸的声音创建自己的蛋白质“组合物”。他们在ACS Nano的一篇新论文中描述了他们的工作。

就像音乐只有有限的音符和和弦,并使用不同的组合来作曲一样,蛋白质也只有有限的构建块(它的20个氨基酸),这些构建块可以以任何方式组合在一起,创造出具有独特特性的新型蛋白质结构。此外,“任何类型的音乐都有模式,”比勒说。“你会看到声音的普遍性,音调,但你也会看到重复的模式,比如古典音乐中的主题和动作。这种模式也存在于蛋白质中。

“任何类型的音乐都有模式。这些模式也存在于蛋白质中。”

有能力定制具有所谓“可调”特性的材料,将使科学家能够创造出更好的天然材料的合成版本,比如蜘蛛丝,它具有许多优异的特性。它每盎司都非常结实,比钢铁或凯夫拉纤维都要结实,尽管它没有碳纳米管纤维那么结实。它是防水的,在断裂前可以拉伸30-40%,而钢纤维和尼龙纤维的拉伸率分别为8%和20%左右。它甚至可能具有抗菌、凝血和其他愈合伤口的特性。由于正是这种结构赋予了任何材料独特的特性,科学家们想要更多地了解蜘蛛丝的蛋白质结构,以及其他种类的蛋白质。

这就是比勒的实验室几年前开始做的事情,证明了丝绸的特性是由高度有序的分层蛋白质结构和密集纠结的蛋白质团交替形成的。接下来,他们不仅研究了蛋白质分子的性质,还研究了它们如何在更大范围内结合形成网络。在这个过程中,他们发现,音乐理论与范畴理论相结合,可以在预测基于上述蛋白质结构的特定材料的新变化表现如何方面提供宝贵的帮助。

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麻省理工学院的科学家们已经将蛋白质的分子结构转换成类似于音乐段落的可听到的声音。逆转这一过程意味着它们可以引入变异,并将音乐转化为新的蛋白质。

结果表明,音乐创作的层次元素(音高、音域、力度、节奏)类似于蛋白质结构的层次元素。因此,“从蛋白质中纺丝的机理可以通过一个过程转化为音乐,这个过程指定了一套规则来控制系统的构建,”作者在2012年发表于《今日纳米》(Nano Today)的一篇论文中写道。“这种技术可以让人们在一个非常不同的领域,音乐中表达材料的结构、机制和特性。

Buehler说,这项最新的工作利用了人工智能方法的最新进展,使声音、音乐和蛋白质之间的类比更加严谨,创造了一个更好的系统,将蛋白质的氨基酸序列转化为音乐序列。

“乐器是通过木头、金属或动物皮的振动来工作的。所有的音乐都是基于它们所创造的振动结构,”他说。“任何分子,如果你在纳米尺度上观察它,都有连续的振动。我们意识到,构成蛋白质的每一个氨基酸组成部分,反过来又构成了层次结构,每一个都有一个特定的声音特征,就像指纹一样。

他们根据每个氨基酸的自然共振频率给它们分配了一个音调,因为氨基酸在几个重叠的频率上振动。分子的不同三维结构决定了每种音调的持续时间。因为有20个氨基酸,所以产生了20个音阶。一些电子键盘可以让用户任意调整他们想要的比例,麻省理工学院的科学家们就是用这种方法创造了一个只有20个键的键盘。他们利用这些数据创建了许多不同种类的简单蛋白质的声音播放列表,这样人工智能就可以知道每种蛋白质的声音。

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麻省理工学院的科学家们发明了一个20键的电子键盘,可以播放20种不同音调的氨基酸。

比勒说:“我们的大脑天生就以某种方式理解事物,很难忘记这一切,从零开始学习。”“人工智能从未听过任何类型的声音或音乐。”人工智能还可以逆转这一过程,利用获得的知识来设计新的蛋白质,既有现有蛋白质的变体,也有全新的蛋白质。比勒说:“当我看到数据回来的时候,我惊呆了。“它完美地复制了蛋白质的图案。

简而言之,该团队能够计算出所有不同蛋白质二级结构的独特指纹,并通过换位使其发声。比勒说:“这听起来与人类历史上使用过的任何东西都非常不同,因为我们直到现在才听到这一点。”“只有借助现代量子力学的工具,我们才能计算出这些光谱并对它们进行声波化。

比勒对这些独特的特征如此熟悉,以至于他能通过耳朵分辨出某些氨基酸序列之间的区别,例如β- sheet,或α- helix。Android应用程序允许用户创建自己的蛋白质成分,自动记录下来,并可以通过电子邮件分享。“你可以播放突变,听不同的蛋白质变体是如何发声的,”他说。“你甚至可以折叠你创造的蛋白质,或者用其他方法分析它。

Listing image by YouTube/American Chemical Society

来源: arstechnica

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