Cientistas transformaram em sons parte da estrutura do SARS-CoV-2, o vírus da Covid-19, na busca de pontos fracos.
Talvez possa parecer estranho, mas os cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts converteram uma estrutura do vírus da Covid-19 em sons. O vírus da doença, identificado como SARS-CoV-2, é hoje o responsável por mais de um milhão de infecções e dezenas de milhares de mortes. Agora, os cientistas criaram uma maneira de poder ouvir uma parte crucial dele. Os cientistas traduziram a estrutura de sua famosa proteína spike, aquelas estruturas semelhantes a espinhos que recobrem a superfície do vírus, em música.
Os sons que você ouvirá abaixo, os sinos, as cordas, as flauta todos representam aspectos diferentes da proteína parecida com uma ponta (essa imagem acima), a estrutura da superfície do vírus responsável por cutucar e por se fixar nas células saudáveis. Como todas as proteínas, as spikes são feitas de combinações de aminoácidos, as unidades fundamentais de qualquer proteína. Usando uma nova técnica chamada sonificação, os cientistas do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) atribuíram a cada aminoácido uma nota única em uma escala musical, convertendo toda a proteína em uma partitura preliminar, segundo a explicação de uma matéria na revista científica Science.
O líder do projeto de pesquisa responsável pelo feito, Markus Buehler, explicou, em entrevista ao MIT News, que “o som é uma maneira elegante de acessar as informações armazenadas em uma proteína”. Ele explicou ainda que “nosso cérebro é ótimo no processamento de som. De uma só vez, nossos ouvidos captam todas as suas características hierárquicas: tom, timbre, volume, melodia, ritmo e acordes”.
Assim, para Buehler e demais pesquisadores do projeto, esse trabalho de conversão da proteína spike do SARS-CoV-2, nomeado provisoriamente 2019-nCoV, é útil por facilitar a compreensão da estrutura dessa proteína como um todo.
A técnica é mais uma importante ferramenta capaz de auxiliar os cientistas a encontrar possíveis tratamentos ou vacinas contra a Covid-19. Com ela, os pesquisadores podem procurar locais da proteína spike em que anticorpos ou medicamentos possam se ligar, simplesmente procurando sequências específicas de notas. “Precisaríamos de um microscópio de alta potência para ver os detalhes equivalentes em uma imagem e nunca poderíamos ver tudo de uma vez”, explica Buehler.
Na matéria da Science, é informado que “na vida real, esses aminoácidos tendem a se entrelaçar em uma hélice ou se esticarem formando uma camada. Os pesquisadores capturam essas características alterando o tempo de duração e a intensidade das notas. Vibrações moleculares provocadas pelo calor também recebem seus próprios sons”.
Proteína em melodia
O que os cientistas fizeram foi, ao utilizar a técnica de sonificação, a equipe atribuiu uma nota musical a cada aminoácido que compõem a proteína spike do vírus. Em seguida, o time de pesquisadores escolheu os instrumentos musicais que iriam reproduzir essas notas. Essa parte foi a única do estudo que se baseou em gosto pessoal. O koto, um popular instrumento musical de cordas na cultura japonesa, foi escolhido por eles como elemento sonoro base da sinfonia.
No passo seguinte, entrou em cena um software de inteligência artificial (IA), que transformou a sequência de sons em música. A IA foi seguindo a sequência de sons e ajustando o volume e a duração de cada nota musica conforme o aminoácido aparecia dobrado (em forma de uma fita retorcida) ou esticado na estrutura spike do vírus. O resultado do trabalho da máquina com o uso da IA foi uma música de quase duas horas de duração.
Buehler, que além de pesquisador é musicista, publicou o resultado do trabalho na plataforma Soundcloud com o título “Contraponto viral da proteína spike do coronavírus (2019-nCoV)”. Confira:
A spike é a proteína chave para a entrada do vírus na célula a ser infectada pelo SARS-CoV-2. Pesquisar um meio específico de interferir no mecanismo de ligação do vírus na célula ou impedir que o vírus consiga adentrar a célula são importantes estratégias que vem sendo pesquisadas por cientistas do mundo todo.
“A proteína spike do contém três cadeias de proteínas dobradas em um padrão intrigante. Essas estruturas são pequenas demais para os olhos verem, mas podem ser ouvidas”, explicou Buehler.
Usar a técnica sonificação na spike do vírusé mais uma forma de fornecer informações que possam ser usadas por outros pesquisadores a desenvolver uma droga eficaz contra a Covid-19. Outros estudos podem utilizar os dados obtidos por Buehler e equipe e, com o uso da IA, eles poderão simular a atuação de compostos candidatos a medicamentos.
A seguir, a Sociedade Científica traduz na íntegra a entrevista de Markus Buehler ao MIT News.
MIT NEWS
De Kim Martineau | MIT Quest for Intelligence
02 de abril de 2020
Markus Buehler fala sobre configurar o coronavírus e proteínas inspiradas em Inteligência Artificial (IA) em música
As proteínas que compõem todos os seres vivos estão vivas com a música. Basta perguntar a Markus Buehler: o músico e professor do MIT que desenvolve modelos de inteligência artificial para projetar novas proteínas – às vezes traduzindo-as em som. Seu objetivo é criar novos materiais biológicos para aplicações sustentáveis e não tóxicas. Em um projeto com o MIT-IBM Watson AI Lab, Buehler está procurando uma proteína para prolongar a vida útil de alimentos perecíveis. Em um novo estudo da Extreme Mechanics Letters, ele e seus colegas oferecem um candidato promissor: uma proteína da seda feita por abelhas para uso na construção de suas colmeias.
Em outro estudo recente, na APL Bioengineering, ele deu um passo adiante e usou a Inteligência Artifical (IA) para descobrir uma proteína inteiramente nova. Quando os dois estudos foram publicados, o surto de Covid-19 estava surgindo nos Estados Unidos, e Buehler voltou sua atenção para a proteína spike do SARS-CoV-2, o apêndice que torna o novo coronavírus tão contagioso. Ele e seus colegas estão tentando determinar propriedades vibracionais através de espectros de som baseados em moléculas, que podem ser uma chave para parar o vírus. Buehler recentemente se sentou para discutir a arte e a ciência de seu trabalho.
MIT News: Seu trabalho se concentra nas proteínas alfa-hélice encontradas na pele e no cabelo. Por que essa proteína é tão intrigante?
Buehler: As proteínas são os tijolos e a argamassa que compõem nossas células, órgãos e corpo. As proteínas alfa-hélice são especialmente importantes. Sua estrutura parecida com uma mola proporciona elasticidade e resiliência, e é por isso que pele, cabelo, penas, cascos e até membranas celulares são tão duráveis. Mas eles não são apenas resistentes mecanicamente, eles têm propriedades antimicrobianas incorporadas. Com a IBM [a pesquisa utiliza o supercomputador Watson da IBM], estamos tentando aproveitar essa característica bioquímica para criar um revestimento proteico que pode retardar a deterioração de alimentos que apodrecem rapidamente, como morangos.
Como você recrutou a IA para produzir essa proteína de seda?
Nós treinamos um modelo de aprendizagem profunda [também conhecido como Deep Learning] no Protein Data Bank, que contém as sequências de aminoácidos e as formas tridimensionais de cerca de 120.000 proteínas. Em seguida, alimentamos o modelo com um trecho de uma cadeia de aminoácidos para a seda das abelhas e pedimos para prever a forma da proteína, átomo por átomo. Validamos nosso trabalho sintetizando a proteína pela primeira vez em laboratório – um primeiro passo para o desenvolvimento de um revestimento antimicrobiano fino e estruturalmente durável, que pode ser aplicado aos alimentos. Meu colega, Benedetto Marelli, é especializado nessa parte do processo. Também usamos a plataforma para prever a estrutura de proteínas que ainda não existem na natureza. Foi assim que projetamos nossa proteína totalmente nova no estudo da APL Bioengineering.
Como o seu modelo melhora em outros métodos de previsão de proteínas?
Usamos previsão de ponta a ponta. O modelo constrói a estrutura da proteína diretamente de sua sequência, traduzindo padrões de aminoácidos em geometrias tridimensionais. É como traduzir um conjunto de instruções da IKEA em uma estante de livros construída, menos a frustração. Por meio dessa abordagem, o modelo efetivamente aprende como construir uma proteína a partir da própria proteína, através da linguagem de seus aminoácidos. Notavelmente, nosso método pode prever com precisão a estrutura da proteína sem um modelo. Ele supera outros métodos de dobragem e é significativamente mais rápido que a modelagem baseada em física. Como o Banco de Dados de Proteínas é limitado às proteínas encontradas na natureza, precisávamos de uma maneira de visualizar novas estruturas para produzir novas proteínas a partir do zero.
Como o modelo poderia ser usado para projetar uma proteína real?
Podemos criar modelos átomo a átomo para sequências encontradas na natureza que ainda não foram estudadas, como fizemos no estudo da APL Bioengineering usando um método diferente. Podemos visualizar a estrutura da proteína e usar outros métodos computacionais para avaliar sua função, analisando sua estabilidade e as outras proteínas às quais ela se liga nas células. Nosso modelo pode ser usado no desenvolvimento de medicamentos ou para interferir nas vias bioquímicas mediadas por proteínas em doenças infecciosas.
Qual é o benefício de traduzir proteínas em som?
Nossos cérebros são ótimos no processamento de som! De uma só vez, nossos ouvidos captam todas as suas características hierárquicas: tom, timbre, volume, melodia, ritmo e acordes. Precisávamos de um microscópio de alta potência para ver os detalhes equivalentes em uma imagem e nunca poderíamos ver tudo de uma vez. O som é uma maneira elegante de acessar as informações armazenadas em uma proteína.
Normalmente, o som é produzido pela vibração de um material, como uma corda de violão, e a música é feita organizando os sons em padrões hierárquicos. Com a IA, podemos combinar esses conceitos e usar vibrações moleculares e redes neurais para construir novas formas musicais. Estamos trabalhando em métodos para transformar estruturas de proteínas em representações audíveis e traduzir essas representações em novos materiais.
O que a sonificação da proteína spike do SARS-CoV-2 nos diz?
A proteína spike desse vírus contém três cadeias de proteínas dobradas em um padrão intrigante. Essas estruturas são pequenas demais para os olhos verem, mas podem ser ouvidas. Representamos a estrutura da proteína física, com suas cadeias emaranhadas, como melodias entrelaçadas que formam uma composição multicamada. A sequência de aminoácidos da proteína spike, seus padrões de estrutura secundária e suas intrincadas dobras tridimensionais estão todos em destaque. A peça resultante é uma forma de música de contraponto, na qual notas são tocadas contra notas. Como uma sinfonia, os padrões musicais refletem a geometria de interseção da proteína percebida pela materialização de seu DNA.
O que você aprendeu?
O vírus tem uma capacidade extraordinária de enganar e explorar a célula hospedeira para sua própria multiplicação. Seu genoma sequestra a maquinaria de fabricação de proteínas da célula hospedeira e a força a replicar o genoma viral e a produzir proteínas virais para produzir novos vírus. Enquanto ouve, você pode se surpreender com o tom agradável e até relaxante da música. Mas isso engana nosso ouvido da mesma maneira que o vírus engana nossas células. É um invasor disfarçado de visitante amigável. Através da música, podemos ver a proteína spike do SARS-CoV-2 sob um novo ângulo e apreciar a necessidade urgente de aprender a linguagem das proteínas.
Pode isso abordar a Covid-19 e o vírus que causa essa doença?
A longo prazo, sim. A conversão de proteínas em som dá aos cientistas outra ferramenta para entender e projetar proteínas. Mesmo uma pequena mutação pode limitar ou aumentar o poder patogênico do SARS-CoV-2. Por meio da sonificação, também podemos comparar os processos bioquímicos de sua proteína spike com coronavírus anteriores, como os da SARS ou da MERS.
Na música que criamos, analisamos a estrutura vibracional da proteína spike que infecta o hospedeiro. A compreensão desses padrões vibracionais é fundamental para o desenvolvimento de medicamentos e muito mais. As vibrações podem mudar à medida que as temperaturas esquentam, por exemplo, e também podem nos dizer por que a spike do SARS-CoV-2 gravita em direção às células humanas mais do que as spikes de outros vírus. Estamos explorando essas perguntas em pesquisas atuais e em andamento com meus alunos de pós-graduação.
Também podemos usar uma abordagem composicional para projetar medicamentos para atacar o vírus. Poderíamos procurar [criar] uma nova proteína que corresponda à melodia e ao ritmo de um anticorpo capaz de se ligar à proteína spike, interferindo em sua capacidade de infectar.
Como a música pode ajudar na criação de proteínas?
Você pode pensar na música como um reflexo algorítmico da estrutura. As variações Goldberg de Bach, por exemplo, são uma brilhante realização do contraponto, um princípio que também encontramos nas proteínas. Agora podemos ouvir esse conceito conforme a natureza o compôs e compará-lo com as ideias em nossa imaginação, ou usar a IA para falar a linguagem do desenvolvimento de proteínas e deixá-la imaginar novas estruturas. Acreditamos que a análise do som e da música pode nos ajudar a entender melhor o mundo material. Afinal, a expressão artística é apenas um modelo do mundo dentro de nós e ao nosso redor.
