Yararlı özelliklere sahip olabilecek yepyeni bir protein türü oluşturmak ister misiniz? Sorun değil. Sadece birkaç bar… Bilim ve sanatın şaşırtıcı bir birlikteliğinde, MIT ‘deki araştırmacılar, tüm canlıların temel yapı taşları olan proteinlerin moleküler yapılarını, müzikal geçitlere benzeyen duyulabilir sese dönüştürmek için bir sistem geliştirdiler.
Sonra süreci tersine çevirerek, müziğe bazı varyasyonlar getirebilir ve doğada daha önce hiç görülmemiş şekilde yeni proteinlere dönüştürebildiler.
Her ne kadar yeni bir proteinin var olabileceği kadar basit olmasa da, yeni bir sistem yaklaşıyor. Sesleri belirlemek için moleküllerin fiziksel özelliklerini kullanarak bir proteinin amino asit dizisini bir müzik dizisine çevirmenin sistematik bir yolunu sağlanır.
Sesler, insanlar için duyulabilir aralığa getirilmek üzere aktarılsa da, tonlar ve ilişkileri, her bir amino asit molekülünün gerçek titreşim frekanslarına dayanır ve kuantum kimyasındaki teoriler kullanılarak hesaplanır.
Sistem, McAfee Mühendislik Profesörü ve MIT’de İnşaat ve Çevre Mühendisliği Bölümü başkanı olan Markus Buehler, Chi Hua Yu ve diğer iki kişi ile birlikte geliştirilmiştir.
ACS Nano dergisinde tarif edildiği gibi, sistem tüm proteinleri oluşturmak için zincirlerde bir araya gelen yapı taşları olan 20 tip amino asidi 20 tonluk bir skalaya çevirir. Herhangi bir proteinin uzun amino asit dizisi daha sonra bir nota dizisi haline gelir.
Böyle bir ölçek Batı müzik geleneğine alışmış insanlara yabancı gelse de, dinleyiciler sesleri öğrendikten sonra ilişkileri ve farklılıkları kolayca tanıyabilirler. Buehler, ortaya çıkan melodileri dinledikten sonra, şimdi spesifik yapısal fonksiyonlara sahip proteinlere karşılık gelen bazı amino asit dizilerini ayırt edebildiğini söylüyor. “Buna bir beta levha” denilebilir ya da” bir alfa sarmalı” olabilir.
Protein dilini öğrenmek
Buehler’in açıkladığı bütün kavram, proteinleri ve geniş çeşitlilikteki varyasyonlarını anlamada daha iyi bir yol tutmasıdır. Proteinler, derinin, kemiğin ve kasın yapısal materyalini oluşturur. Fakat aynı zamanda enzimler, sinyal kimyasalları, moleküler anahtarlar ve tüm canlıların makinelerini oluşturan diğer fonksiyonel materyallerin bir kısmıdır.
Ancak yapıları, kendilerini işlevlerini sık sık belirleyen şekillere katlamaları da dahil olmak üzere, oldukça karmaşıktır. “Kendi dilleri var ve nasıl çalıştığını bilmiyoruz” diyor. “Bir ipek proteinini neyin ipek proteini yaptığını veya bir enzimin içinde bulunan fonksiyonları yansıtan kalıpları bilmiyoruz. Kodu bilmiyoruz.”
Bu dilin, insanların özellikle iyi uyuştuğu ve bilginin farklı yönlerinin farklı boyutlarda kodlanmasına olanak tanıyan farklı bir formata çevrilmesiyle – adım, hacim ve süre
– Buehler ve ekibi yeni görüşlere yön vermeyi umuyor.
Farklı protein aileleri ve bunların varyasyonları arasındaki ilişki ve farklılıklar içine girerek bunu yapılarının ve fonksiyonlarının muhtemel ince ayarlarını ve modifikasyonlarını araştırmanın bir yolu olarak kullanıyorlar. Müzikte olduğu gibi, proteinlerin yapısı da hiyerarşiktir, farklı uzunluk ve zaman ölçeklerinde farklı yapı seviyeleri vardır.
Ekip daha sonra çeşitli proteinlerin ürettiği melodilerin katalogunu incelemek için yapay zeka sistemi kullandı. AI sistemi, müzik dizisinde küçük değişiklikler yarattı ya da tamamen yeni diziler yarattı ve daha sonra sesleri, değiştirilmiş veya yeni tasarlanmış sürümlere karşılık gelen proteinlere geri çevirdi.
Bu işlemle, var olan proteinlerin varyasyonlarını yaratabildiler – örneğin doğanın en güçlü malzemelerinden biri olan örümcek ipeğinde bulunanını – böylece evrim tarafından üretilenlerin aksine yeni proteinler ürettiler.
Buehler, araştırmacıların bunun altında yatan kuralları bilmemelerine rağmen, “AI ’nın proteinlerin tasarlanma dilini öğrendiğini” ve mevcut sürümlerin çeşitlemelerini ya da tamamen yeni protein tasarımlarını oluşturmak için onu kodlayabildiğini söylüyor.
Potansiyel kombinasyonların “trilyonlar ve trilyonlar” olduğu göz önüne alındığında, yeni proteinler üretmeye gelindiğinde
“Sıfırdan başaramazsınız, ama bu AI ‘nın yapabileceği şey” diyor.
Yeni proteinleri “oluşturmak”
Buehler, böyle bir sistemi kullanarak, AI sistemini belirli bir protein sınıfı için bir dizi veri ile eğitmenin birkaç gün sürebileceğini, ancak daha sonra mikrosaniyeler içinde yeni bir değişken için bir tasarım üretilebileceğini söylüyor. “Başka hiçbir yöntem buna yaklaşamıyor” diyor. “Bu bir eksiklik, model bize gerçekte neler olup bittiğini anlatmıyor.
Sadece işe yaradığını biliyoruz.” Yapıyı müziğe kodlamanın bu yolu daha derin bir gerçeği yansıtıyor.
Buehler, “Bir ders kitabındaki bir moleküle baktığınızda, bu statik bir şeydir” diyor. “Ama bu hiç statik değil. Hareketli ve titreşimli… Maddenin her bir parçası bir dizi titreşim… Ve bu kavramı maddeyi tanımlamanın bir yolu olarak kullanabiliriz.”
Yöntem henüz herhangi bir yönlendirilmiş modifikasyona izin vermiyor.
Mekanik dayanım, elastikiyet veya kimyasal reaktivite gibi özelliklerde herhangi bir değişiklik esasen rastgele olacaktır. Buehler, “Hala deney yapmak gerekiyor” diyor.
Yeni bir protein varyantı üretildiğinde, “Ne yapacağını tahmin etmenin yolu yoktur” diyor. Ekip ayrıca, bu yeni 20 tonluk müzikal skalasını tanımlayan amino asitlerin seslerinden geliştirilen müzikal besteler de yarattı. Yaptıkları sanat eserleri, tamamen amino asitlerden üretilen seslerden oluşuyor.
Buehler, “Bu yeni ses kaynağının yaratıcı bir platform olarak nasıl kullanılabileceğini gösteren, hiçbir sentetik veya doğal enstrüman yok” diyor.
Hem doğal olarak var olan proteinlerden hem de AI tarafından üretilen proteinlerden türetilen müzikal motifler, örnekler boyunca kullanılır ve bazıları bas veya trampetlere benzeyen de dahil olmak üzere tüm sesler, amino asitlerin seslerinden de üretiliyor.
Araştırmacılar, amino asitlerin seslerini çalmak ve protein sekanslarını müzikal kompozisyonlar olarak kaydetmek için Amino Asit Sentezleyici adlı ücretsiz bir Android akıllı telefon uygulaması yarattılar.
Bünyamin Tan
