由蛋白質序列編碼成的樂譜，會奏出怎樣的音樂？
○ 圖片來源：Christine Daniloff / MIT
如何創造出全新的蛋白質？麻省理工學院（MIT）的研究人員可能會告訴你：哼首小曲兒就能行！
在將科學與藝術完美結合的道路上，MIT的研究人員開發出了一套非常厲害的系統，它能將所有生物的基本組成——蛋白質的分子結構，轉換成類似於音樂段落的聲音。然後，他們可以讓音樂發生一些變化，再逆轉這一過程，就將音樂轉化成了自然界中從未見過的新蛋白質。
好吧，其實並沒有真的像哼首小曲兒那麼簡單，但這個新的系統已經很接近這樣的操作了。它有一套能將蛋白質的氨基酸序列轉換成音樂序列的系統方法，利用分子的物理特性來確定聲音。為了讓這些聲音落入人類可以聽到的聽覺範圍內，研究人員對它們進行了變調轉換，但這些音調是完全基於每個氨基酸分子本身的實際振動頻率發出的，而振動頻率又是根據量子化學理論計算出來的。
這項研究被發表在了ACS Nano雜誌上。據描述，這個系統將20種氨基酸轉換成20個音調的音階，而氨基酸是蛋白質鏈的組成部分。如此一來，任何蛋白質的氨基酸序列都可以轉變成音符序列。
○ 描繪了溶菌酶結構的分子示意圖，這是研究人員在轉化為音樂實驗中所使用的蛋白質之一。圖片來源：Chi-Hua Yu et. al / MIT
乍聽之下，這些音階聽起來有點奇怪，但一旦熟悉了這些聲音，就可以很容易地辨別出它們之間的關係和區別。Markus Buehler是這篇論文的作者之一，他說，在聽了這些旋律後，他已經可以分辨出具有特定結構功能的蛋白質的氨基酸序列。
學習蛋白質的語言
這項研究的概念是為了更好地理解蛋白質以及它們的變體。蛋白質不僅是構成皮膚、骨骼和肌肉的結構材料，同時也是酶、信號化學物質、分子開關和許多其他構成了所有生物機制的功能材料。但是它們的結構，摺疊方式、決定了它們功能的形狀等許多問題都是極其複雜的。Buehler解釋說：「它們有自己的語言，而我們卻不知道它們是如何運作的。我們不知道是什麼使絲蛋白之所以成為絲蛋白，也不知道在一種酶中發現的某種模式能反映它的什麼功能。我們不知道它們的密碼。」
通過將蛋白質的語言翻譯成另一種我們熟悉的形式，可以對它們所蘊含的不同方面的信息在不同的維度（例如音高、音量和時長）進行編碼。研究人員希望能獲取到關於不同的蛋白質家族及其變化之間的關係的新見解，並以此作為一種探索這些蛋白質的結構和功能的許多可能的調整和修飾。與音樂一樣，蛋白質的結構也是分層的，在不同的長度或時間尺度上會有不同的結構層次。
○ 音樂與蛋白質結構之間的轉換。圖中間用不同顏色的條形部分顯示了蛋白質中氨基酸的序列。左邊顯示的是這個氨基酸序列摺疊成的形狀，形成一個功能性蛋白。右邊是每個氨基酸所代表的聲音頻譜。圖片來源：Chi-Hua Yu et. al / MIT
然後，研究人員會用人工智慧系統來分析不同蛋白質所產生的旋律。他們讓人工智慧系統在音樂序列中加入微小的變化，或者創造出全新的序列，然後將音樂轉化回蛋白質，從而得到相應的修改過或重新設計過的新蛋白質。通過這個過程，他們就能夠創造出現有蛋白質的變體，從而製造出不同於任何自然進化所產生的新蛋白質，例如在蜘蛛絲中的一種蛋白質是自然界最強的材料之一。
儘管研究人員還不知道潛在的規則是什麼，但人工智慧已經學會了設計蛋白質的語言，而且它還可以對蛋白質進行編碼，創造出現有版本的變體，或設計出全新的蛋白質。蛋白質可以存在數萬億種可能的組合，在創造新的蛋白質時，我們不可能從零開始，但人工智慧卻可以做到。
「譜寫」新的蛋白質
通過使用這樣一個系統，用一組特定種類的蛋白質數據來訓練人工智慧系統可能需要幾天的時間，但一旦訓練完成，它就能在幾微秒的時間內設計出一種新的變體。這是其他方法無法與之媲美的高效。研究人員笑說：「它的缺點是這無法告訴我們裡面到底發生了什麼。只讓我們知道它很管用。」
這種將結構編碼到音樂中的方式確實反映了更深層次的現實。我們在教科書上看到分子是靜態的，但實際中的分子根本不是靜止的，它們會運動和振動。每一點物質都是一組振動。我們可以用這個概念來描述物質。
不過這個方法還不允許任何形式的定向修改，即發生任何性質的變化，如機械強度、彈性或化學反應性等性質基本上都將是隨機的。因此，當一種新的蛋白質變體產生時，我們還是需要通過實驗的測試才能了解它的性質，無法做到預測它會發生什麼。
研究人員還創作了由氨基酸的聲音構成的音樂作品，這些氨基酸定義了這種新的20音音階。這篇音樂作品完全是由氨基酸產生的聲音組成的，目前還沒有使用任何合成或天然的樂器。從自然存在的蛋白質和人工智慧生成的蛋白質中提取的音樂主題貫穿整個例子，所有的聲音，包括一些類似於低音或軍鼓的聲音，也都來自氨基酸本身。
研究人員還開發了一款名為「氨基酸合成器」（Amino Acid Synthesizer）的免費智能手機APP，可以用它來播放氨基酸的聲音，並將蛋白質序列錄製成音樂。
對於這項研究，加州大學的一位材料學教授Marc Meyer評論說，這是最富創意的天才之作，這對生物分子的內部運作的探索，以一種最顯著的方式推進了我們對生物材料的力學響應的理解。他認為，這種對音樂的想像是一個新穎而有趣的方向，這是最好的實驗音樂。生命的節奏，心臟的搏動，都是重複的聲音的最初來源，是它們帶來了美妙的音樂世界。而新的研究已經進入到納米空間，提取出構成了生命的氨基酸的韻律。
蛋白質序列是非常複雜的存在，對蛋白質序列進行對比也是非常複雜的工作。創造出這種方法的研究人員為了解和解釋這種複雜性提供了一種精妙、有趣、不尋常的方法。我們大多數人都具有聽懂複雜的音樂模式的能力，通過聽音樂中的細節的「和諧」與否，我們現在有了一個可以有效對比氨基酸序列的工具。
參考鏈接：
[1] http://news.mit.edu/2019/translating-proteins-music-0626
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