News-Medical parle au professeur Markus Buehler de ses recherches sur COVID-19 et de la façon dont il a traduit le virus du SRAS-CoV-2 en son.
Sommaire
Qu'est-ce qui a provoqué vos recherches sur les protéines?
Les protéines sont les briques et le mortier qui composent nos cellules, nos organes et notre corps. Les protéines de l'hélice alpha sont particulièrement importantes. Leur structure semblable à un ressort leur confère élasticité et résilience, c'est pourquoi la peau, les cheveux, les plumes, les sabots et même les membranes cellulaires sont si durables.
En tant que scientifique des matériaux, ce sont certains des matériaux les plus importants dans la nature, et nous sommes désireux de comprendre comment ils se forment, comment ils échouent et comment nous pouvons améliorer leur conception dans de nouveaux matériaux d'ingénierie.
Crédit d'image: Markus J Buehler
Comment avez-vous utilisé l'intelligence artificielle pour produire des protéines?
Les protéines ont leur langue, et nous ne savons pas comment cela fonctionne. Nous ne savons pas ce qui fait d'une protéine de soie une protéine de soie ou quels modèles reflètent les fonctions trouvées dans une enzyme. Nous ne connaissons pas le code.
Ainsi, l'utilisation de l'apprentissage automatique peut être un moyen puissant de mieux le comprendre.
Plus largement, les protéines reflètent un langage naturel que nous ne savons pas encore parler. Cependant, nous pouvons entendre ce langage en calculant les fréquences vibratoires des molécules constituant les protéines.
Chacun vibre, en raison de la température, à un spectre unique et comme un son bien défini (voir notre article ACS Nano 2019: http://doi.org/10.1021/acsnano.9b02180). Nous pouvons utiliser ces tons de base, formant un nouveau type d'échelle musicale, l'échelle des acides aminés, pour définir des séquences sonores.
Les rythmes sont utilisés pour exprimer des structures locales, et des éléments d'ordre supérieur comme le pliage sont exprimés dans des caractéristiques hiérarchiques plus complexes de la composition musicale – telles que des mélodies qui se chevauchent, des accords grattés et autres. La musique peut être considérée comme une traduction des différents modèles vibratoires de la structure protéique en un signal audio que vous pouvez entendre et exploiter pour une analyse plus approfondie.
Comment cette méthode peut-elle être utilisée cette méthode pour concevoir de nouvelles protéines et dans quelles applications pourraient-elles être utilisées?
Nous avons utilisé un système d'intelligence artificielle pour étudier le catalogue de mélodies produites par une grande variété de protéines différentes. Nous avons demandé au système d'IA d'introduire de légers changements dans la séquence musicale ou de créer des séquences complètement nouvelles, puis de traduire les sons en protéines qui correspondent aux versions modifiées ou nouvellement conçues.
Avec ce processus, nous avons pu créer des variations de protéines existantes – par exemple celle trouvée dans la soie d'araignée, l'un des matériaux les plus solides de la nature – créant ainsi de nouvelles protéines différentes de celles produites par l'évolution.
En utilisant cela, nous pouvons fabriquer de meilleurs matériaux qui sont plus solides, plus légers et accordables.
Qu'est-ce qui vous a poussé à appliquer vos recherches à COVID-19 et comment procédez-vous?
La protéine de pointe du virus COVID-19 contient trois chaînes protéiques repliées en un motif fascinant. Ces structures sont trop petites pour que l'œil puisse les voir, mais elles peuvent être entendues!
Nous avons représenté la structure physique des protéines, avec ses chaînes enchevêtrées, comme des mélodies entrelacées qui forment une composition multicouche.
Par conséquent, le morceau résultant est une forme de musique de contrepoint, dans laquelle les notes sont jouées contre des notes. Comme une symphonie, les motifs musicaux reflètent la géométrie intersectée de la protéine réalisée en matérialisant son code ADN.
Le SRAS-CoV-2 a une protéine de pointe. Qu'est-ce qu'une protéine de pointe et pourquoi rend-elle les virus si contagieux?
Une protéine de pointe est un protéine en forme de couronne qui sort du virus et qui lui donne son nom. Ils sont très contagieux car ils interagissent facilement avec les récepteurs cellulaires humains tels que l'ACE2.
Lors de la traduction de la protéine de pointe SARS-CoV-2 en son, quelles propriétés avez-vous découvertes?
C'était incroyable de voir l'incroyable complexité de la protéine audible dans le son et de découvrir les différentes manières dont la répétition de la séquence protéique interagit avec les variations, et comment elles se croisent à travers la structure tridimensionnelle repliée.
La nature offre un aperçu incroyable de la structure de ses blocs de construction, et la musique peut être un moyen puissant de mieux le comprendre et de comprendre ses principes de conception d'une manière différente
Cette recherche peut-elle aider à comprendre COVID-19? Pourrait-il aider à trouver un vaccin ou des médicaments pour le combattre?
À plus long terme, oui. La traduction des protéines en sons donne aux scientifiques un autre outil pour comprendre et concevoir des protéines. Même une petite mutation peut limiter ou augmenter le pouvoir pathogène du SRAS-CoV-2.
Grâce à la sonification, nous pouvons également comparer les processus biochimiques de sa protéine de pointe avec les coronavirus précédents, comme le SRAS ou le MERS. Dans la musique que nous avons créée, nous avons analysé la structure vibratoire de la protéine de pointe qui infecte l'hôte.
La compréhension de ces modèles vibratoires est essentielle pour la conception de médicaments et bien plus encore. Les vibrations peuvent changer à mesure que les températures se réchauffent, par exemple, et elles peuvent également nous expliquer pourquoi la pointe du SRAS-CoV-2 gravite davantage vers les cellules humaines que les autres virus.
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Nous explorons ces questions dans le cadre de recherches en cours avec mes étudiants diplômés. Nous pourrions également utiliser une approche compositionnelle pour concevoir des médicaments pour attaquer le virus.
Nous pourrions rechercher une nouvelle protéine qui correspond à la mélodie et au rythme d'un anticorps capable de se lier à la protéine de pointe, interférant avec sa capacité à infecter.
Quelles sont les prochaines étapes de votre recherche?
Nos cerveaux sont excellents dans le traitement du son! D'un seul coup, nos oreilles captent toutes ses caractéristiques hiérarchiques: hauteur, timbre, volume, mélodie, rythme et accords.
Nous aurions besoin d'un microscope de grande puissance pour voir les détails équivalents dans une image, et nous ne pourrions jamais tout voir en même temps. Le son est un moyen si élégant d'accéder aux informations stockées dans une protéine.
En règle générale, le son est produit en faisant vibrer un matériau, comme une corde de guitare, et la musique est créée en arrangeant les sons selon des modèles hiérarchiques. Avec l'IA, nous pouvons combiner ces concepts et utiliser les vibrations moléculaires et les réseaux de neurones pour construire de nouvelles formes musicales.
Nous avons travaillé sur des méthodes pour transformer les structures protéiques en représentations audibles et traduire ces représentations en nouveaux matériaux. Nous appelons l'approche consistant à exploiter les matériaux de manière non conventionnelle pour former la base du son et de la musique «matériomusique» – repousser les limites de la plupart des générations musicales au-delà des cordes vibrantes et au-delà des sons complètement synthétiques des méthodes de synthèse.
Plutôt, utiliser la chimie quantique et les vrais principes physiques comme base pour former la toile de la composition musicale.
La conception de nouveaux matériaux est un défi essentiel dans le développement de technologies durables – pensez à des matériaux plus légers, plus robustes et plus résistants. Ou des matériaux intelligents qui agissent comme des capteurs.
Nous pouvons également faire prendre conscience des pôles opposés de la beauté, de la vie et de la mort, et comprendre le concept de tromperie car il est au cœur de la nature du schéma d'infection et de propagation du virus. Et nous pouvons, espérons-le, enseigner à de nombreuses personnes à travers le monde les protéines – elles sont la base matérielle de toute vie et méritent d'être comprises!
Vous pouvez également considérer la musique comme une réflexion algorithmique de la structure. Les Variations Goldberg de Bach, par exemple, sont une brillante réalisation du contrepoint, un principe que nous avons également trouvé dans les protéines.
Nous pouvons maintenant entendre ce concept tel que la nature l'a composé et le comparer aux idées de notre imagination, ou utiliser l'IA pour parler le langage de la conception des protéines et la laisser imaginer de nouvelles structures. Nous pensons que l'analyse du son et de la musique peut nous aider à mieux comprendre le monde matériel.
L'expression artistique n'est, après tout, qu'un modèle du monde en nous et autour de nous. Il y a donc beaucoup à apprendre, de la santé humaine à la biologie, en passant par les grands défis.
Où les lecteurs peuvent-ils trouver plus d'informations?
Vous pouvez écouter la sonification des protéines et d'autres compositions matérielles musicales ici: https://soundcloud.com/user-275864738
À propos du professeur Markus Buehler
Markus J. Buehler est professeur d'ingénierie McAfee au MIT et compositeur de musique expérimentale, classique et électronique, avec un intérêt pour la sonification.
En utilisant une approche appelée «matériomusique», son travail artistique explore la création de nouvelles formes d'expressions musicales – telles que celles dérivées de matériaux biologiques et de systèmes vivants – comme un moyen de mieux comprendre la science et les mathématiques sous-jacentes.
L'un de ses objectifs est d'utiliser la conception musicale et sonore comme une façon nouvelle et abstraite de modéliser, d'optimiser et de créer de nouvelles formes de matière de bas en haut, et d'évaluer les relations de conception intersystèmes. Il s'intéresse également à la recherche pour explorer les relations entre la musique classique, les mathématiques et les sciences physiques et biologiques, et à la cartographie des modèles de conscience à travers les systèmes.
Dans des travaux récents, il a développé un nouveau cadre pour composer de la musique basée sur des protéines – les molécules de base de toute vie, ainsi que d'autres phénomènes physiques tels que la fracturation, pour explorer les similitudes et les différences entre les espèces, les échelles et entre les modèles philosophiques et physiques.
Son travail universitaire est très cité et comprend plus de 450 articles sur la science des matériaux informatiques, les biomatériaux et les nanotechnologies, dont plusieurs dans des revues à fort impact. Il est l'auteur de deux monographies dans les domaines de la science des matériaux informatiques et de la conception de matériaux bio-inspirés et est l'un des fondateurs du nouveau domaine de recherche en matériomique.
Il est un éducateur dévoué et un enseignant doué et est apparu dans de nombreuses émissions de télévision et de radio pour expliquer l'impact de ses recherches à un large public.
