想要创造一种具有特定性质的全新蛋白质？没问题，你只需要哼几首小曲。

近日，美国麻省理工学院(MIT)的Markus J. Buehler团队基于20种氨基酸的振动模式，将蛋白质的特定结构转化成特定的曲子表现出来，并通过人工智能（Al）的方式设计新的蛋白质（图1）。相关工作以“A Self-Consistent Sonification Method to Translate Amino Acid Sequences into Musical Compositions and Application in Protein Design Using Artificial Intelligence”为题发表在《ACS Nano》上。

图1：本文所报道的工作总体流程图，蛋白质的氨基酸序列与音乐的可逆转化。

分子的振动光谱可以通过密度泛函理论(DFT)或分子动力学（MD）等计算方法计算，图2a展示了基于DFT计算的20种氨基酸的频率，通过计算结果发现，每个氨基酸的声音都是由上述频率的谐波叠加在一起播放而产生的，因而每个氨基酸对应一个特定的复杂的声谱。图2b表示了每种氨基酸的最低频率，从最小到最大排序。

图2. 基于DFT计算的氨基酸振动光谱分析。图a：20种氨基酸的振动频率, 其中x轴表示绘制频率的模式数。图b：20种氨基酸的最低频率，从最小到最大排序。

图3（右）显示了光谱对所有20种氨基酸产生的音频进行50至20 000赫兹频率范围的分析结果。再通过将这20种氨基酸的频谱对应到钢琴键盘上，发现每个氨基酸的声音均由多个频率簇所组成，这类似于音乐中的和弦的概念。此外，数据显示虽然一些频率落在钢琴键上，但大多数都在键之间，表示复杂的频率集合（图3左）。

图3.左图：将20种氨基酸的频谱对应到钢琴键盘上的频谱分析。右图：从50Hz-20000Hz频率范围内20种氨基酸的频谱分析。

为了使氨基酸的声音能够被更广泛的大众接受和播放，该团队开发了一款手机应用程序，可以让用户播放、自主编辑以及创建各种氨基酸序列的声音。该应用程序的一系列截图如图4所示，可在谷歌应用商店下载。

下载链接：

https://play.google.com/store/apps/details?id=com.synth.aminoacidplayer

图4：所开发的手机应用的截屏 (a)主屏幕。(b)氨基酸键盘。 (c)内置序列编辑器，可更改与键盘交互播放的序列。可以添加空间来区分多个蛋白链。(d) app信息面板，用于提供相关的科学背景。

研究团队用特定的方法通过将音乐特征与蛋白质特性相比较，将蛋白质序列翻译成音乐表达。图5显示了溶菌酶的乐谱示例，其中有一段长度为21 bar的音乐。乐谱上不同的音高代表了不同种类的氨基酸，变化的节奏代表了不同的二级结构。音高和节奏共同构成的乐谱反应了氨基酸序列和二级结构的相互作用，在音乐空间中共同反映了蛋白质的折叠。

图5：溶酶菌的乐谱

麻省理工研究人员通过将分子结构转化为声音，深入了解蛋白质并创造新的蛋白结构。科学与艺术的惊人结合，不仅是生命的节奏，也是最好的实验音乐。

这项工作得到了美国海军研究院和美国国立卫生研究院的支持。

论文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.9b02180

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来源：高分子科学前沿

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