構成蛋白質基本組成部分的20種氨基酸包含以不同頻率振動的化學鍵。麻省理工學院的材料科學家兼工程師馬庫斯·布勒對這些資訊以及蛋白質複雜的摺疊模式進行了編碼，使其可以表示為音樂屬性，例如音量、速度和同時發生的旋律（在音樂理論中稱為對位）。
然後，研究人員將他們的工作向前邁進了一大步。透過將已知蛋白質生成的音樂插曲輸入到神經網路中，該團隊訓練人工智慧系統開發這些節奏的新變體——尚未存在的蛋白質的音樂表現形式。
透過確定新生成的節奏與已知蛋白質的節奏有多少差異，布勒及其在麻省理工學院的同事，以及臺灣國立成功大學的餘嘉華，控制了新生成的蛋白質的結構可能有多相似或不同。然後，研究人員構建了新設計的蛋白質的逐個原子模型，以確定它們的穩定性。布勒和餘在本週的《應用物理快報-生物工程》雜誌上描述了他們的發現。
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蛋白質是所有生物體不可或缺的一部分，從細胞膜到骨骼、軟骨、皮膚和血液。設計新型蛋白質可能會催生新一代的抗病藥物、改進的酶和許多其他高效能生物材料。
蛋白質的功能和穩定性不僅取決於其特定的氨基酸序列，還取決於氨基酸如何組裝成扭曲或褶皺的三維結構。布勒認為，使用普通演算法或視覺化程式來評估這些細節可能具有挑戰性。他指出，顯微鏡需要多個同時放大倍率才能看到蛋白質中的所有子結構。相比之下，“我們的耳朵可以一舉捕捉到”該物質的所有層次結構特徵，他說。“這是一種讓大腦訪問儲存在蛋白質中的資訊的優雅方式。”
科學家已經使用音化（將資訊轉換為聲音的過程）來更好地概念化其他研究領域的資料，從檢測癌症到分析太空天氣。“我們相信，對聲音的分析實際上可以幫助我們更好地瞭解物質世界——科學，”布勒說。
布勒指出，將蛋白質結構轉化為聲音位元組絕非任意之舉，他除了作曲外還會彈鋼琴、吉他和鼓。例如，蛋白質中具有緊密排列的螺旋形（稱為α螺旋）的部分由一系列快速連續的音符表示，而形成密度較低的片狀結構（稱為β摺疊）的蛋白質則播放得更慢。蛋白質中的重疊區域，反映其特徵性的三維摺疊，由對位或旋律對抗旋律來表示。
一個蛋白質，憑藉其複雜的摺疊和許多接觸點，產生了有趣的音樂概念，可以幫助蛋白質工程師。“蛋白質結構與音樂符號之間的關係非常明確，並有可能為一系列生物技術應用識別出新的蛋白質，”英國諾丁漢特倫特大學生物分子材料研究小組負責人、化學家兼法醫科學家卡羅爾·佩裡評論道。“看到藝術和科學之間的相互作用導致新想法總是令人興奮的，”她補充道。
布勒承認，要使用聲音和神經網路設計新的蛋白質，不需要人類來解釋生物交響樂。“如果我們想以更藝術的方式使用[音化]，那麼當然，我們想聆聽和探索，”他說。
布勒說：“就像在繪畫中一樣，新的蛋白質聲音就像一種可以發明的新的調色盤——一種沒有人見過的顏色——但現在可以用來創作藝術。”這些聲音包括導致 COVID-19 病毒的臭名昭著的蛋白質刺突和由來自三種蛋白質的音化氨基酸組成的實際交響樂。
在後續工作中，布勒和他的同事計劃檢查他們設計的蛋白質的結構，以確定這些分子有多有用——無論是透過將它們與已知的蛋白質進行比較，還是在實驗室中進行測試。可以透過新增諸如摺疊蛋白質的彎曲角度等資訊來改進音化方法。因此，分子電子音樂將繼續下去。