U mirnija vremena Buehler traga za proteinima koji bi produžili rok trajanja kvarljive hrane, poput onog koji pčele koriste za izgradnju košnica.

Koristeći umjetnu inteligenciju otkrio je i potpuno novi protein.

No, s pandemijom COVID-19 okrenuo se proučavanju bjelančevina proteina SARS-CoV-2. Uz pomoć kolega sad pokušava raspakirati njegova vibracijska svojstva zvučnim spektrima temeljenim na molekulama.

Umjetnički prikaz pretvorbe strukture proteinske molekule u muzički odlomak FOTO: CHRISTINE DANILOFF, MIT

- Proteini su cigle i malter koji čine naše ćelije, organe I tijelo - kaže Buehler.

Alfa-zavojnice su posebno važne. Njihova struktura daje im elastičnost i otpornost, zbog čega su koža, kosa, perje, kopita, pa čak i ćelijske membrane toliko trajne. No, one imaju i antimikrobna svojstva.

Buehler uz pomoć IBM-a pokušava iskoristiti ovu biohemijsku osobinu kako bi stvorio premaz od bjelančevina koji bi usporiti kvarenje i brzo truhljenje namirnica poput jagoda. Trenirali su model dubokog učenja na bazi podataka o proteinima, koji sadrži sekvence aminokiselina i trodimenzionalne oblike oko 120.000 proteina i potom od njega zatražili da predviđa oblik proteina, atom po atom.

Platformu su koristili i za predviđanje strukture proteina koji ne postoje u prirodi. Tako su dizajnirali i potpuno novi protein.

- Naša metoda može precizno predvidjeti strukturu proteina bez šablona. No, kako je banka podataka ograničena na prirodne proteine, trebao nam je način da vizualiziramo nove strukture - objašnjava Buehler.

Ali kakva je korist od prevođenja bjelančevina u zvuk?

- Naši mozgovi sjajno obrađuju zvukove. U jednom potezu naše uši pokupe sve njegove hijerarhijske karakteristike: glas, timbar, glasnoću, melodiju, ritam i akord. Trebao bi nam snažni mikroskop da bismo na slici vidjeli ekvivalentne detalje, a ne bismo ih mogli vidjeti odjednom. Zvuk je elegantan način za pristup informacijama pohranjenim u protein – kaže Buehler.

A šta nam može reći ozvučavanje S proteina SARS-CoV-2?

- Njegov proteinski šiljak sadrži tri lanca proteina presavijena u intrigantan uzorak. Te su strukture premalene da bi ih vidjelo oko, ali se mogu čuti - kaže Buehler koji je uz pomoć saradnika fizičku strukturu proteina predstavio isprepletenim melodijama.

Obilježili su aminokiselinski slijed proteina u šiljku, njegove obrasce sekundarne strukture i zamršene trodimenzionalne nabore. Dobili su muzičke obrasce njegovog DNK koda.

MIT Professor Markus Buehler designs new proteins with the help of AI.He translated the spike protein of the novel coronavirus into sound to visualize its vibrational properties, as seen here, which could help in finding ways to stop the virus. https://t.co/0QDPqA1pZJ @FJ_Lozano

— Xavier Marcet (@XavierMarcet) April 6, 2020

Buehler i njegov tim naučili su da virus ima nevjerovatnu sposobnost obmanjivanja i iskorištavanja domaćina radi vlastitog množenja. Njegov genom zavodi ćelije i prisiljava ih da repliciraju virusni genom te stvaraju virusne proteine kako bi stvorili nove viruse.

- Dok slušate, može vas iznenaditi ugodan, čak opuštajući ton muzike. Ali to prevari naše uho na isti način na koji virus vara naše ćelije. Kroz muziku možemo vidjeti SARS-CoV-2 šiljak iz novog ugla i shvatiti koliko je važno čim prije naučiti jezik bjelančevina – navodi Buehler.

Dijagram prikazuje prevođanje strukture proteina u muziku, kako su to zamislili istraživači MIT-a

Prevođenje proteina u zvuk pruža naučnicima još jedan alat za razumijevanje i oblikovanje proteina. Čak i mala mutacija može ograničiti ili povećati patogenu moć SARS-CoV-2.

Štaviše, ozvučavanjem se mogu usporediti i biohemijski procesi proteina u šiljku s prethodnim koronavirusima, poput SARS-a ili MERS-a.

- U muzici koju smo stvorili analizirali smo vibracijsku strukturu proteina šiljaka koji inficiraju domaćina. Razumijevanje ovih vibracijskih obrazaca presudno je za izradu lijekova i još mnogo toga. Vibracije se mogu mijenjati s temperaturom i mogu nam otkriti zašto šiljak SARS-CoV-2 gravitira ljudskim ćelijama više od ostalih virusa – najavljuje Buehler.