Om eiwitten te onderzoeken kun je er nu ook naar luisteren. De moleculaire structuur van eiwitten is door MIT-onderzoekers omgezet in muziek. Omgekeerd componeerden ze ook nieuwe muziek en vertaalden die om zo nieuwe eiwitstructuren te ontdekken.
Eiwitten zijn in ons lichaam onder andere de bouwstenen van botten en spieren. Verder bestaan afweerstoffen en enzymen eruit. Eiwitten zijn opgebouwd uit ketens van aminozuren. Die ketens zijn in elkaar gevouwen en vormen zo de driedimensionale structuur van eiwitten.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Trillende aminozuren
De moleculaire eigenschappen van de aminozuren zijn gebruikt om de eiwitten om te zetten in muziekstukken. De aminozuurmoleculen staan niet stil. Op die kleine schaal trilt en beeft alles. Die frequenties van die trillingen hebben de onderzoekers omgezet in hoorbare tonen.
In menselijke eiwitten komen twintig verschillende aminozuren voor. Daarmee creëerden ze een toonladder met twintig tonen. Voor muzikanten die gewend zijn als westerse muziek klinkt dat misschien vreemd, maar volgens de onderzoekers raak je er gemakkelijk aan gewend. MIT-hoogleraar Markus Buehler zegt dat hij inmiddels de melodieën van verschillen structuren van eiwitten kan onderscheiden. ‘Dat klinkt als een bèta-sheet [structuur], en dat als een alpha-helix.’
Eiwittaal
De eigenschappen van eiwitten worden grotendeels bepaald door hun structuur en dus hoe de aminozuurketens opgevouwen liggen. Maar onderzoekers kunnen nog niet goed voorspellen welke eiwitfuncties bij welke aminozuurstructuur hoort. ‘Ze hebben een eigen taal die we niet verstaan’, zegt Buehler.
Die taal hebben de onderzoekers vertaald naar muziek, door aminozuren in tonen te veranderen en verschillende structuren weer te geven als bepaalde ritmes, volumes of toonduur. Mensen zijn goed in het herkennen van complexe patronen in muziek. Door naar eiwitstructuren te luisteren hopen ze nieuwe inzichten te krijgen in de samenhang tussen de structuren en de eigenschappen.
KI luistert en componeert
Hiervoor maakten ze ook gebruik van kunstige intelligentie (KI). Ze gaven een KI-algoritme een catalogus van melodieën die afkomstig waren van verschillende eiwitten. Vervolgens lieten ze de KI nieuwe muziek componeren door kleine aanpassingen te maken in de melodieën. Door die muziek terug te vertalen naar structuren, vonden ze nieuwe eiwitten.
Er zijn biljoenen verschillende manieren om van ketens van aminozuren structuren te vormen. Voor een mens is het onmogelijk om daarmee nieuwe, stabiele, eiwitten te ontwerpen. Zelf als ze het als muziek kunnen componeren. Maar door naar de catalogus van muziek van bestaande eiwitten te luisteren, ‘heeft de KI de taal geleerd van hoe eiwitten worden ontworpen’, zegt Buehler.
Helaas kan het KI-systeem niet vertellen wat de achterliggende regels zijn om eiwitten te ontwerpen. ‘We weten niet hoe de KI het doet, we weten alleen dat het werkt.’
De onderzoekers willen nu gaan uitzoeken wat die achterliggende regels zijn. Daarnaast hopen ze met meer en betere informatie het KI-systeem zo te ‘trainen’ dat het kan voorspellen welke structuur je een eiwit moet geven om bepaalde eigenschappen te verkrijgen.
Behalve nieuwe eiwitten heeft deze techniek ook tot nieuwe, experimentele muziek geleid. Op SoundCloud zijn composities te horen. Je kunt zelf eiwitmuziek componeren met de app Amino Acid Synthesizer.