Imagen: MIT/ACS.
Investigadores del Instituto Tecnológico de Massachusetts han desarrollado un sistema de inteligencia artificial (IA) que convierte las estructuras moleculares de las proteínas en música.
También puede invertir el proceso e introducir algunas variaciones en la música así obtenida para convertirla en nuevas proteínas, inéditas en la naturaleza.
Las proteínas son los componentes básicos de todos los seres vivos y sus cadenas de aminoácidos pueden visualizarse fácilmente como una secuencia de notas musicales, explica Markus Buehler, científico de materiales del MIT, en un comunicado.
Buehler y equipo utilizaron las similitudes entre estas secuencias para convertir 20 tipos de aminoácidos en una escala de 20 tonos. Los resultados se publican en ACS Nano.
Cualquier secuencia larga de aminoácidos de cualquier proteína puede convertirse en una secuencia de notas, señalan los investigadores.
A través de la música así obtenida, se pueden distinguir las secuencias de aminoácidos que corresponden a las proteínas y sus funciones estructurales específicas.
"Todo el concepto consiste en lograr una gestión mejorada de la comprensión de las proteínas y su amplia gama de variaciones", añade Buehler.
"Las proteínas forman el material estructural de la piel, los huesos y los músculos, pero también son enzimas, químicos de señalización, interruptores moleculares y una gran cantidad de otros materiales funcionales que conforman la maquinaria de todos los seres vivos".
"Pero sus estructuras, incluida la forma en que se pliegan en las formas que a menudo determinan sus funciones, son extremadamente complicadas".
“Tienen su propio idioma, y no sabemos cómo funcionan. No sabemos qué hace que una proteína específica sea una proteína específica, o qué patrones reflejan las funciones que se encuentran en una enzima. No conocemos el código".
IA y patrones musicales
Para superar esta limitación, el equipo utilizó un sistema de inteligencia artificial que estudió el catálogo de melodías producidas por una amplia variedad de proteínas diferentes.
Consiguieron que el sistema de IA introdujera leves cambios en la secuencia musical de las proteínas o creara secuencias completamente nuevas, y luego convirtió esas notas musicales en nuevas proteínas, versiones modificadas del original, producto de un nuevo diseño.
Con este proceso, fueron capaces de crear variaciones de proteínas existentes, por ejemplo, las que se encuentran en la tela de araña, uno de los materiales más fuertes de la naturaleza. Y crearon nuevas proteínas diferentes a las producidas por la evolución.
Lo sorprendente es que, aunque los investigadores pueden no conocer las reglas subyacentes, "la IA ha aprendido el lenguaje de cómo se diseñan las proteínas", y puede codificarlo para crear variaciones de versiones existentes, o diseños de proteínas completamente nuevos, explica Buehler.
También puede invertir el proceso e introducir algunas variaciones en la música así obtenida para convertirla en nuevas proteínas, inéditas en la naturaleza.
Las proteínas son los componentes básicos de todos los seres vivos y sus cadenas de aminoácidos pueden visualizarse fácilmente como una secuencia de notas musicales, explica Markus Buehler, científico de materiales del MIT, en un comunicado.
Buehler y equipo utilizaron las similitudes entre estas secuencias para convertir 20 tipos de aminoácidos en una escala de 20 tonos. Los resultados se publican en ACS Nano.
Cualquier secuencia larga de aminoácidos de cualquier proteína puede convertirse en una secuencia de notas, señalan los investigadores.
A través de la música así obtenida, se pueden distinguir las secuencias de aminoácidos que corresponden a las proteínas y sus funciones estructurales específicas.
"Todo el concepto consiste en lograr una gestión mejorada de la comprensión de las proteínas y su amplia gama de variaciones", añade Buehler.
"Las proteínas forman el material estructural de la piel, los huesos y los músculos, pero también son enzimas, químicos de señalización, interruptores moleculares y una gran cantidad de otros materiales funcionales que conforman la maquinaria de todos los seres vivos".
"Pero sus estructuras, incluida la forma en que se pliegan en las formas que a menudo determinan sus funciones, son extremadamente complicadas".
“Tienen su propio idioma, y no sabemos cómo funcionan. No sabemos qué hace que una proteína específica sea una proteína específica, o qué patrones reflejan las funciones que se encuentran en una enzima. No conocemos el código".
IA y patrones musicales
Para superar esta limitación, el equipo utilizó un sistema de inteligencia artificial que estudió el catálogo de melodías producidas por una amplia variedad de proteínas diferentes.
Consiguieron que el sistema de IA introdujera leves cambios en la secuencia musical de las proteínas o creara secuencias completamente nuevas, y luego convirtió esas notas musicales en nuevas proteínas, versiones modificadas del original, producto de un nuevo diseño.
Con este proceso, fueron capaces de crear variaciones de proteínas existentes, por ejemplo, las que se encuentran en la tela de araña, uno de los materiales más fuertes de la naturaleza. Y crearon nuevas proteínas diferentes a las producidas por la evolución.
Lo sorprendente es que, aunque los investigadores pueden no conocer las reglas subyacentes, "la IA ha aprendido el lenguaje de cómo se diseñan las proteínas", y puede codificarlo para crear variaciones de versiones existentes, o diseños de proteínas completamente nuevos, explica Buehler.
Bits de materia
Los investigadores explican que esta investigación permite obtener una visión realista de las moléculas: "Cuando miras una molécula en un libro de texto, es estática", dice Buehler. "Pero no es estática en absoluto. Se está moviendo y vibrando. Cada bit de materia es un conjunto de vibraciones. Y podemos usar este concepto como una forma de describir la materia".
El método desarrollado por los investigadores, si bien permite crear nuevas proteínas, su estructura es completamente aleatoria, no puede programarse, y tampoco es posible predecir su comportamiento.
El equipo también creó composiciones musicales desarrolladas a partir de los sonidos de los aminoácidos.
Los motivos musicales derivados, tanto de proteínas naturales como de proteínas generadas por la IA, los usaron con diferentes modelos, y todos los sonidos, incluidos algunos que se parecen a los bajos o los de las cajas o redoblantes, fueron obtenidos a partir de los sonidos de los aminoácidos.
Los investigadores han creado incluso una aplicación gratuita para teléfonos inteligentes con Android, llamada sintetizador de aminoácidos, que reproduce los sonidos de los aminoácidos y graba secuencias de proteínas como si fueran composiciones musicales.
Antecedente superado
La idea de obtener música de las proteínas nos es nueva y se ha basado en la posibilidad de convertir secuencias de proteínas o de genes en música.
La aportación de esta investigación consiste en haber añadido una red neuronal artificial que ha utilizado el aprendizaje automático para desentrañar el misterio de los “patrones musicales” ocultos en la naturaleza.
Además, es la primera vez que se demuestra que ese ritmo natural de los componentes básicos de la vida puede aprenderse por un sistema de inteligencia artificial y que ese sistema es capaz de generar nuevas secuencias de proteínas.
Los investigadores explican que esta investigación permite obtener una visión realista de las moléculas: "Cuando miras una molécula en un libro de texto, es estática", dice Buehler. "Pero no es estática en absoluto. Se está moviendo y vibrando. Cada bit de materia es un conjunto de vibraciones. Y podemos usar este concepto como una forma de describir la materia".
El método desarrollado por los investigadores, si bien permite crear nuevas proteínas, su estructura es completamente aleatoria, no puede programarse, y tampoco es posible predecir su comportamiento.
El equipo también creó composiciones musicales desarrolladas a partir de los sonidos de los aminoácidos.
Los motivos musicales derivados, tanto de proteínas naturales como de proteínas generadas por la IA, los usaron con diferentes modelos, y todos los sonidos, incluidos algunos que se parecen a los bajos o los de las cajas o redoblantes, fueron obtenidos a partir de los sonidos de los aminoácidos.
Los investigadores han creado incluso una aplicación gratuita para teléfonos inteligentes con Android, llamada sintetizador de aminoácidos, que reproduce los sonidos de los aminoácidos y graba secuencias de proteínas como si fueran composiciones musicales.
Antecedente superado
La idea de obtener música de las proteínas nos es nueva y se ha basado en la posibilidad de convertir secuencias de proteínas o de genes en música.
La aportación de esta investigación consiste en haber añadido una red neuronal artificial que ha utilizado el aprendizaje automático para desentrañar el misterio de los “patrones musicales” ocultos en la naturaleza.
Además, es la primera vez que se demuestra que ese ritmo natural de los componentes básicos de la vida puede aprenderse por un sistema de inteligencia artificial y que ese sistema es capaz de generar nuevas secuencias de proteínas.
Referencia
A Self-Consistent Sonification Method to Translate Amino Acid Sequences into Musical Compositions and Application in Protein Design Using Artificial Intelligence. Chi-Hua Yu et al. ACS Nano2019, June 26, 2019. DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02180
A Self-Consistent Sonification Method to Translate Amino Acid Sequences into Musical Compositions and Application in Protein Design Using Artificial Intelligence. Chi-Hua Yu et al. ACS Nano2019, June 26, 2019. DOI:https://doi.org/10.1021/acsnano.9b02180