ترجمة البروتينات الى موسيقى والعكس

ضمن ارتباط مدهش بين العلم والفن ، طور الباحثون في معهد ” MIT “ للتكنولوجيا نظاماً لتحويل الهياكل الجزيئية للبروتينات ، والتي تمثل اللبنات الأساسية لجميع الكائنات الحية ، إلى صوت مسموع يشبه المقاطع الموسيقية. ومن ثم عكس العملية ، و يمكنهم أيضا إدخال بعض الاختلافات في الموسيقى وتحويلها إلى بروتينات جديدة لم يسبق لها مثيل في الطبيعة.

و على الرغم من كون الأمر ليس بسيطاً تماماً مثل طنين البروتين الجديد إلى الوجود ، إلا أن النظام الجديد يقترب. فهو يوفر طريقة منتظمة لترجمة تسلسل البروتينات من الأحماض الأمينية إلى تسلسل موسيقي ، باستخدام الخصائص الفيزيائية للجزيئات لتحديد الأصوات. و على الرغم من أن الأصوات يتم نقلها لجعلها ضمن النطاق المسموع للبشر ، فإن النغمات وعلاقاتها تعتمد على الترددات الاهتزازية الفعلية لكل جزيء من الأحماض الأمينية نفسها ، ويتم حسابها باستخدام نظريات من كيمياء الكم.
عمل ماركوس بيولر ” Markus Buehler”على تطوير النظام، وهو أستاذ الهندسة في McAfee ورئيس قسم الهندسة المدنية والبيئية في معهد “MIT” للتكنولوجيا ، إلى جانبه تشي هوا يو “Chi Hua Yu” واثنين آخرين. كما هو موضح في مجلة “ACS Nano”.
يعمل النظام بترجمة الأنواع العشرين من الأحماض الأمينية ، وهي لبنات البناء التي تتحد في سلاسل لتكوين جميع البروتينات ، إلى مقياس من 20 نغمة. أي تسلسل بروتيني طويل من الأحماض الأمينية يصبح سلسلة من النوتات الموسيقية.
في حين أن هذا المقياس يبدو غير مألوف بالنسبة للأشخاص الذين اعتادوا على التقاليد الموسيقية الغربية ، بحيث يمكن للمستمعين التعرف بسهولة على العلاقات والاختلافات بعد التعرف على الأصوات. وأشار بوهلر ” Buehler” إنه بعد الاستماع إلى الألحان الناتجة ، أصبح قادرًا الآن على تمييز تسلسلات معينة من الأحماض الأمينية التي تتوافق مع البروتينات ذات الوظائف الهيكلية المحددة. مما يستنتج ان هذه “صحيفة بيتا ” أو “لولب ألفا”.( نسق من الروابط الهيدروجينه في بروتين ثانوي البنية)

تعلم لغة البروتينات

يشرح بوهلر “Buehler” أن الفكرة برمتها هي الحصول على فهم أفضل للبروتينات ومجموعة واسعة من الاختلافات.
ان البروتينات تشكل المادة الهيكلية للجلد والعظام والعضلات ، ولكنها أيضًا عبارة عن إنزيمات واشارات كيميائية ومفاتيح جزيئية ومجموعة من المواد الوظيفية الأخرى التي تشكل آلات جميع الكائنات الحية. لكن بنياتها ، بما في ذلك الطريقة التي تطوي بها نفسها في الأشكال التي تحدد وظائفها في كثير من الأحيان ، معقدة للغاية.حيث اوضح بأن “لديهم لغتهم الخاصة ، ونحن لا نعرف كيف تعمل” ، و كما يقول . “لا نعرف ما الذي يجعل بروتين الحرير بروتينًا حريريًا أو الأنماط التي تعكس الوظائف الموجودة في الإنزيم. أي لا نعرف الكود”.
و من خلال ترجمة تلك اللغة إلى شكل مختلف يكون البشر متناغمين معه بشكل خاص ، والذي يسمح بتشفير الجوانب المختلفة للمعلومات بأبعاد مختلفة الحجم والمدة والميل -كما يأمل بوهلر” Buehler” وفريقه في استنباط رؤى جديدة في العلاقات والاختلافات بين عائلات مختلفة من البروتينات وأشكالها المختلفة ، واستخدام هذا كوسيلة لاستكشاف العديد من التعديلات والتعديلات الممكنة في هيكلها ووظائفها. كما هو الحال مع الموسيقى ، فإن بنية البروتينات هي هرمية ، مع مستويات مختلفة من التركيب في مستويات مختلفة من الطول أو الوقت.
ومن ثم استخدم الفريق نظام الذكاء الاصطناعي لدراسة كتالوك الألحان التي تنتجها مجموعة واسعة من البروتينات المختلفة. ولكونهم يملكون نظام الذكاء الاصطناعي فادخل تغييرات طفيفة في التسلسل الموسيقي أو إنشاء تسلسلات جديدة تماما ، ثم ترجمت الأصوات مرة أخرى إلى بروتينات تتوافق مع الإصدارات المعدلة أو المصممة حديثا. من خلال هذه العملية ،حيث تمكنوا من إنشاء أشكال مختلفة من البروتينات الموجودة – على سبيل المثال البروتين الموجود في حرير العنكبوت ، وهو أحد أقوى المواد الطبيعية – وبالتالي صنع بروتينات جديدة لا تشبة أي بروتينات نتجت عن التطور.
على الرغم من أن الباحثين أنفسهم قد لا يعرفون القواعد الأساسية ، “لكن الذكاء الاصطناعي تعلم لغة كيفية تصميم البروتينات” ، ويمكنه ترميزها لإنشاء أشكال مختلفة من الإصدارات الحالية ، أو تصميمات جديدة تمامًا للبروتين ، كما يقول بوهلر”Buehler”. وقال إنه نظرًا لوجود “تريليونات وتريليونات” من التوليفات المحتملة ، عندما يتعلق الأمر بإنشاء بروتينات جديدة “فلن تتمكن من القيام بذلك من نقطة الصفر ، ولكن هذا ما يمكن أن يفعلة الذكاء الاصطناعي ”

تأليف “بروتينات جديدة
باستخدام نظام الذكاء الاصطناعي مع مجموعة من البيانات لفئة معينة من البروتينات قد يستغرق بضعة أيام ، ولكنه يمكن أن ينتج بعد ذلك تصميمًا لمتغير جديد في ظرف ميكروثانية.