Aminosäure-Rockmusik Hilft Beim Aufbau Neuer Proteine
Aminosäure-Rockmusik Hilft Beim Aufbau Neuer Proteine

Video: Aminosäure-Rockmusik Hilft Beim Aufbau Neuer Proteine

Отличия серверных жестких дисков от десктопных
Video: Aminosäuren: Aufbau und Gruppen ● Gehe auf SIMPLECLUB.DE/GO & werde #EinserSchüler 2023, Februar
Anonim

Einige Wissenschaftler bringen Computern bei, Proteine ​​zu „sehen“. Markus Bühler bringt ihnen bei, stattdessen die Verbindungen zu hören.

Aminosäure-Rockmusik hilft beim Aufbau neuer Proteine
Aminosäure-Rockmusik hilft beim Aufbau neuer Proteine

Die 20 Aminosäuren, aus denen die Bausteine ​​eines Proteins bestehen, enthalten chemische Bindungen, die mit unterschiedlichen Frequenzen schwingen. Markus Buehler, Materialwissenschaftler und Ingenieur am Massachusetts Institute of Technology, codierte diese Informationen zusammen mit den komplizierten Faltungsmustern von Proteinen, um sie als musikalische Eigenschaften wie Volumen, Geschwindigkeit und gleichzeitige Melodien darzustellen (in der Musiktheorie bekannt) als Kontrapunkt).

Die Forscher gingen dann einen großen Schritt weiter. Durch die Einspeisung der aus bekannten Proteinen erzeugten musikalischen Zwischenspiele in ein neuronales Netzwerk trainierte das Team das künstliche Intelligenzsystem, um neuartige Variationen dieser rhythmisch-musikalischen Darstellungen von Proteinen zu entwickeln, die es noch nicht gab.

Durch die Bestimmung, wie stark die neu erzeugten Rhythmen von denen der bekannten Proteine ​​abweichen könnten, haben Bühler und sein Kollege Chia-Hua Yu von M.I.T. und die National Cheng Kung University in Taiwan kontrollierte, wie ähnlich oder unterschiedlich die Struktur der neu erzeugten Proteine ​​sein könnte. Die Forscher erstellten dann Atom-für-Atom-Modelle der neu entwickelten Proteine, um ihre Stabilität zu bestimmen. Bühler und Yu haben ihre Ergebnisse diese Woche in APL Bioengineering beschrieben.

Proteine ​​sind Bestandteil aller Lebewesen, von Zellmembranen bis hin zu Knochen, Knorpel, Haut und Blut. Das Design neuartiger Proteine ​​könnte zu einer neuen Generation von Medikamenten zur Bekämpfung von Krankheiten, verbesserten Enzymen und einer Vielzahl anderer leistungsstarker Biomaterialien führen.

Die Funktion und Stabilität von Proteinen hängt nicht nur von ihrer jeweiligen Aminosäuresequenz ab, sondern auch davon, wie die Aminosäuren zu einer verdrehten oder gefalteten dreidimensionalen Struktur zusammengesetzt werden. Es kann schwierig sein, diese feinen Details mit gewöhnlichen Algorithmen oder Visualisierungsprogrammen zu bewerten, behauptet Bühler. Ein Mikroskop würde mehrere gleichzeitige Vergrößerungen erfordern, um die gesamte Substruktur in einem Protein zu sehen, bemerkt er. Im Gegensatz dazu "kann unser Ohr auf einen Schlag alle hierarchischen Merkmale dieser Substanz erfassen", sagt er. "Es ist eine elegante Möglichkeit für unser Gehirn, auf die im Protein gespeicherten Informationen zuzugreifen."

Wissenschaftler haben die Beschallung, den Prozess der Umwandlung von Informationen in Geräusche, verwendet, um Daten in einer Vielzahl anderer Forschungsbereiche besser zu konzipieren, von der Erkennung von Krebs bis zur Analyse des Weltraumwetters. „Wir glauben, dass die Klanganalyse uns tatsächlich helfen kann, die materielle Weltwissenschaft besser zu verstehen“, sagt Bühler.

Die Übersetzung der Proteinstruktur in Klangbytes ist alles andere als willkürlich, bemerkt Bühler, der neben dem Komponieren von Musik auch Klavier, Gitarre und Schlagzeug spielt. Zum Beispiel werden Teile eines Proteins mit einer dicht gepackten Korkenzieherform (als Alpha-Helix bezeichnet) durch eine schnelle Abfolge von Noten dargestellt, während Proteine, die eine weniger dichte Faltblattstruktur bilden (als Beta-Blatt bezeichnet), langsamer gespielt werden. Überlappende Regionen in einem Protein, die seine charakteristischen dreidimensionalen Falten widerspiegeln, werden durch Kontrapunkt oder Melodie gegen Melodie dargestellt.

Ein Protein mit seinen komplexen Falten und vielen Berührungspunkten generiert faszinierende musikalische Konzepte, die Proteiningenieuren helfen können. "Die Beziehung zwischen Proteinstruktur und Notenschrift ist sehr klar und hat das Potenzial, neue Proteine ​​für eine Reihe biotechnologischer Anwendungen zu identifizieren", kommentiert Carole Perry, Chemikerin und Forensikerin, die eine Forschungsgruppe für biomolekulare Materialien an der Nottingham Trent University in England leitet. „Es ist immer wieder spannend zu sehen, wie das Zusammenspiel von Kunst und Wissenschaft zu neuen Ideen führt“, fügt sie hinzu.

Um neue Proteine ​​unter Verwendung von Klang und einem neuronalen Netzwerk zu entwerfen, wird kein Mensch benötigt, um die biologische Symphonie zu interpretieren, räumt Bühler ein. „Wenn wir die [Beschallung] künstlerischer nutzen wollen, dann wollen wir natürlich zuhören und erforschen“, sagt er.

„Genau wie in einem Gemälde sind die neuen Proteinklänge wie eine neue Farbpalette, die erfunden werden könnte - Farben, die noch niemand gesehen hat -, die aber jetzt zur Schaffung von Kunst verwendet werden können“, sagt Bühler. Zu diesen Geräuschen gehören die berüchtigte Proteinspitze des Virus, die COVID-19 verursacht, und eine tatsächliche Symphonie, die aus beschallten Aminosäuren aus drei Proteinen besteht.

In der Nacharbeit planen Bühler und seine Kollegen, die Struktur der von ihnen entworfenen Proteine ​​zu untersuchen, um festzustellen, wie nützlich diese Moleküle sind - entweder durch Vergleich mit bekannten Proteinen oder durch Testen im Labor. Das Beschallungsverfahren könnte auch verbessert werden, indem Informationen wie die Biegewinkel von gefalteten Proteinen hinzugefügt werden. Die molekulare Elektronik geht also weiter.

Beliebt nach Thema