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Tonstrukturen: Wie klingt mein Protein?

Ein Forscherteam hat die 20 natürlichen Aminosäuren vertont. Mit Hilfe der App »Amino Acid Synthesizer« kann man nun beliebige Sequenzen in sein Smartphone eintippen - und sich anhören, wie Proteine klingen. Das Video erklärt, wie das funktioniert.
Tonstrukturen: Wie klingt mein Protein?

Veröffentlicht am: 26.06.2019

Laufzeit: 0:02:21

Sprache: englisch

Die Arbeitsgruppe um Markus Bühler vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) will die Sprache der Proteine besser verstehen – darum hören die Forscher ihnen jetzt zu. Um ihre Bausteine – die 20 natürlichen Aminosäuren – in Töne zu übersetzen, schauten sie sich deren natürliche Schwingungen an. Wie alle Moleküle schwingen Aminosäuren, wenn sie sich frei im Raum bewegen können. Wie schnell eine Aminosäure schwingt – also mit welchen Frequenzen – hängt davon ab, wie sie aufgebaut ist. Je schwerer sie ist, desto langsamer schwingt sie. Und: Aus je mehr Atomen eine Aminosäure besteht, umso mehr verschiedene Frequenzen gibt es. Man kann also einer Aminosäure keinen einzelnen Ton zuordnen, sondern muss einen Mehrklang spielen – einen Akkord, wie Musiker sagen. Um nicht nur stumm zu schwingen, sondern in unseren Ohren zu klingen, ordneten die Forscher die natürlichen Vibrationen der Aminosäuren den Tönen auf einem Klavier zu.

Allerdings sind Proteine viel mehr als eine Kette aus Aminosäuren. Sie bilden dreidimensionale Strukturen aus. Um diese zu vertonen, reicht es also nicht, die Aminosäuren eines Proteins gemäß ihrer Reihenfolge nacheinander abzuspielen. Das Forscherteam berücksichtigt die räumliche Anordnung der Aminosäuren, indem es deren Lautstärke und Tonlänge verändert. An Stellen, an denen sich ein Protein in eine Spirale – eine Alpha-Helix – windet, werden kürzere Akkorde gespielt. Sind die Aminosäuren eher lose gepackt, können sie sich freier bewegen und erklingen lauter. Dank verschiedener biophysikalischer Methoden kennt man bereits die räumliche Struktur vieler Proteine oder kann sie sich von speziellen Programmen vorhersagen lassen. Das Team um Bühler wollte neue Proteine erschaffen und herausfinden, wie sich diese im Raum falten. Darum trainierte das Forscherteam ein neuronales Netzwerk darauf, aus der Klangkomposition eines Proteins herauszuhören, wie dieses aufgebaut ist. Bühler meint, er könne inzwischen sogar selbst bestimmte Aminosäurefolgen erkennen und beispielsweise sagen: »Das ist eine Alpha-Helix.« Als Nächstes veränderte das Team mit Hilfe der künstlichen Intelligenz die Musik von Proteinen, zum Beispiel die des Spinnenseidenproteins, und übersetzte es danach zurück in eine Aminosäuresequenz. Auch völlig neue Stücke kann die Arbeitsgruppe komponieren und so Proteine mit neuen Eigenschaften kreieren.

Ob die Methode tatsächlich hilfreich ist, um Struktur-Wirkungsbeziehungen in Proteinen zu untersuchen und vorherzusagen, ist fraglich. Denn die künstliche Intelligenz kann bisher nur recht grob zwischen verschiedenen Strukturelementen unterscheiden. Oft sind es jedoch sehr kleine Veränderungen von manchmal nur einer einzigen Aminosäure, die über die Aktivität eines Proteins entscheiden. Diejenigen Stellen in einem Protein zu identifizieren, die für die Entstehung von Krankheiten verantwortlich sind, erlaubt das System von Bühler und seinen Kollegen also eher nicht. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, wie eine Aminosäuresequenz sich im Raum anordnet, gibt es zudem bereits recht gute Programme und sogar kostenlose Online-Tools. Die dreidimensionale Struktur von Proteinen ist viel komplizierter als eine bloße Anordnung in Motive wie Alpha-Helices und Beta-Faltblätter. Auch innerhalb von und zwischen verschiedenen Strukturelementen gibt es Wechselwirkungen, die Einfluss auf die Struktur eines Proteins und die Schwingungen der verbauten Aminosäuren haben. Ob die künstliche Intelligenz dies bei der Musikkomposition eines Proteins berücksichtigt, ist zu bezweifeln. Die Idee, Aminosäuren zu vertonen und Menschen somit den Aufbau von Proteinen näherzubringen, ist aber grundsätzlich kreativ. Außerdem erfreut sich bestimmt so mancher Forscher daran, der Musik des Proteins zu lauschen, an dem er gerade arbeitet.

Allerdings klingt die Proteinmusik keinesfalls nach Mozart oder Chopin, sondern eher nach »Sonic the Hedgehog« – einem Videospiel der 1990er Jahre. Nach dessen Protagonisten, einem blauen Igel, benannte der britische Forscher Robert Riddle 1994 sogar ein Protein. Das igelartige Aussehen von Fliegenlarven, bei denen genau dieses Protein verändert war, hatte ihn an ein Comicbuch seiner Tochter erinnert. Vater und Tochter würde die musikalische Komposition von SHH (offizielle Abkürzung für das sonic hedgehog) bestimmt gefallen. Einige Beispiele klingender Proteine gibt es hier.

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