构成蛋白质基本组成部分的20种氨基酸包含以不同频率振动的化学键。麻省理工学院的材料科学家兼工程师马库斯·布勒对这些信息以及蛋白质复杂的折叠模式进行了编码，使其可以表示为音乐属性，例如音量、速度和同时发生的旋律（在音乐理论中称为对位）。
然后，研究人员将他们的工作向前迈进了一大步。通过将已知蛋白质生成的音乐插曲输入到神经网络中，该团队训练人工智能系统开发这些节奏的新变体——尚未存在的蛋白质的音乐表现形式。
通过确定新生成的节奏与已知蛋白质的节奏有多少差异，布勒及其在麻省理工学院的同事，以及台湾国立成功大学的余嘉华，控制了新生成的蛋白质的结构可能有多相似或不同。然后，研究人员构建了新设计的蛋白质的逐个原子模型，以确定它们的稳定性。布勒和余在本周的《应用物理快报-生物工程》杂志上描述了他们的发现。
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蛋白质是所有生物体不可或缺的一部分，从细胞膜到骨骼、软骨、皮肤和血液。设计新型蛋白质可能会催生新一代的抗病药物、改进的酶和许多其他高性能生物材料。
蛋白质的功能和稳定性不仅取决于其特定的氨基酸序列，还取决于氨基酸如何组装成扭曲或褶皱的三维结构。布勒认为，使用普通算法或可视化程序来评估这些细节可能具有挑战性。他指出，显微镜需要多个同时放大倍率才能看到蛋白质中的所有子结构。相比之下，“我们的耳朵可以一举捕捉到”该物质的所有层次结构特征，他说。“这是一种让大脑访问存储在蛋白质中的信息的优雅方式。”
科学家已经使用音化（将信息转换为声音的过程）来更好地概念化其他研究领域的数据，从检测癌症到分析太空天气。“我们相信，对声音的分析实际上可以帮助我们更好地了解物质世界——科学，”布勒说。
布勒指出，将蛋白质结构转化为声音字节绝非任意之举，他除了作曲外还会弹钢琴、吉他和鼓。例如，蛋白质中具有紧密排列的螺旋形（称为α螺旋）的部分由一系列快速连续的音符表示，而形成密度较低的片状结构（称为β折叠）的蛋白质则播放得更慢。蛋白质中的重叠区域，反映其特征性的三维折叠，由对位或旋律对抗旋律来表示。
一个蛋白质，凭借其复杂的折叠和许多接触点，产生了有趣的音乐概念，可以帮助蛋白质工程师。“蛋白质结构与音乐符号之间的关系非常明确，并有可能为一系列生物技术应用识别出新的蛋白质，”英国诺丁汉特伦特大学生物分子材料研究小组负责人、化学家兼法医科学家卡罗尔·佩里评论道。“看到艺术和科学之间的相互作用导致新想法总是令人兴奋的，”她补充道。
布勒承认，要使用声音和神经网络设计新的蛋白质，不需要人类来解释生物交响乐。“如果我们想以更艺术的方式使用[音化]，那么当然，我们想聆听和探索，”他说。
布勒说：“就像在绘画中一样，新的蛋白质声音就像一种可以发明的新的调色板——一种没有人见过的颜色——但现在可以用来创作艺术。”这些声音包括导致 COVID-19 病毒的臭名昭著的蛋白质刺突和由来自三种蛋白质的音化氨基酸组成的实际交响乐。
在后续工作中，布勒和他的同事计划检查他们设计的蛋白质的结构，以确定这些分子有多有用——无论是通过将它们与已知的蛋白质进行比较，还是在实验室中进行测试。可以通过添加诸如折叠蛋白质的弯曲角度等信息来改进音化方法。因此，分子电子音乐将继续下去。