La musica delle proteine

Una genoma può codificare per migliaia di proteine diverse, ma conoscere il proteoma è solo il primo passo per esplorare l’identità di una cellula. Non basta infatti sapere quali proteine sono sintetizzate da una cellula; è indispensabile comprenderne anche la struttura, le caratteristiche chimiche della catena polipeptidica, l’organizzazione in domini e la capacità di interazione con altre molecole. Attingendo al linguaggio musicale, due scienziati hanno sviluppato un modo innovativo per studiare le proteine, trasformando le stringhe di amminoacidi in sequenze di note: che il concerto per amminoacidi e proteine abbia inizio.

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Sequenza di note ricostruita sulla base delle caratteristiche di idrofobicità degli amminoacidi (Immagine: Bywater and Middleton, Heliyon 2016).

 

Proteoma: la collezione di sculture della cellula

Nel mondo delle proteine, struttura e funzione vanno a braccetto. Oltre che dalla semplice sequenza di amminoacidi, l’identità di una proteina dipende infatti dal folding, ovvero dal processo spontaneo con cui la catena di amminoacidi (struttura primaria) si dispone nelle tre dimensioni dello spazio a formare specifici domini (struttura secondaria). Se guardata la questo punto di vista, ogni proteina è una scultura unica nel suo genere, in cui alfa-eliche e foglietti-beta si dispongono a creare un labirinto di filamenti, anse e tasche: nasce così la struttura terziaria di una proteina, fondamentale per la sua funzione e l’interazione con altre biomolecole. Alcune proteine possono anche assemblarsi come subunità di polipeptidi più complessi, dando origine a strutture quaternarie.

Per orientarsi in questo labirinto di domini proteici, gli scienziati utilizzano da tempo un approccio visuale. Con l’aiuto di software sempre più sofisticati, è possibile prevedere quali domini si formeranno in una proteina, la loro disposizione reciproca e ricavare suggerimenti sulla funzione della proteina: per esempio, alcuni domini sono tipici di fattori di trascrizione che interagiscono con il DNA, altri di recettori legati alla membrana.

 

Proteine in musica

L’approccio visuale ha però dei limiti e ancora oggi sono migliaia le strutture proteiche in attesa di essere decifrate. Tra queste potrebbero esserci anche le proteine responsabili di malattie ancora difficili da curare, come l’Alzheimer. Due scienziati – Robert P. Bywater e Jonathan N. Middleton – hanno quindi pensato di adottare un approccio basato non solo sulla vista, ma anche sull’udito.

Note musicali e timbri sono stati associati a specifiche caratteristiche delle proteine, come l’affinità per i solventi polari, la presenza di legami covalenti o la struttura tridimensionale dei domini. Le stringhe proteiche sono poi state “sonificate”, ovvero convertite in un brano musicale per pianoforte con l’aiuto di un sintetizzatore digitale. Per esempio, a questo link potete ascoltare la musica suonata dal dominio proteico mostrato in questa immagine:

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I file audio ottenuti sono stati poi ascoltati da decine di persone, per lo più giovani studenti esperti sia di folding proteico sia di partiture musicali. Il test ha dato un risultato sorprendente: il 73% degli studenti è stato in grado di abbinare la musica con l’immagine della proteina corrispondente. Per chi volesse cimentarsi, alla pagina MusicAlgorithms sono disponibili le istruzioni per convertire in musica le proteine di proprio interesse.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Heliyondimostra che l’udito permette – tanto quanto la vista – di decifrare le strutture di una proteina. L’unione di questi due approcci potrebbe aiutare gli scienziati a decifrare più velocemente strutture proteiche ricorrenti o domini alterati in una malattia. Quel che fino a oggi è sfuggito anche agli occhi più attenti, potrebbe essere colto da un orecchio allenato.

 

Genetica e musica: l’incontro di due linguaggi universali

Non è la prima volta che gli scienziati cercano di convertire una sequenza di amminoacidi in proteine. Da quando Douglas R. Hofstadter, nel suo saggio Gödel, Escher, Bach: un’Eterna Ghirlanda Brillante, paragonò le proteine alla musica “suonata” dai ribosomi, sono sempre più gli scienziati convinti che la struttura del linguaggio musicale sia perfetta per condividere molte informazioni scientifiche.

«Immaginiamo l’mRNA come un lungo frammento di nastro magnetico e il ribosoma come un registratore a nastro. Quando il nastro passa attraverso la testina del registratore, esso viene “letto” è convertito in musica o in altri suoni. Dunque le tracce magnetiche sono “tradotte” in note. Analogamente, quando un “nastro” di mRNA passa attraverso la “testa di lettura” di un ribosoma, le “note” che vengono prodotte sono gli amminoacidi e i “brani musicali” creati dall’insieme di queste note sono le proteine.»  (Douglas R. Hofstadter – Gödel, Escher, Bach: un’Eterna Ghirlanda Brillante, 1979).

Il nuovo studio dimostra per la prima volta che la musica può trasmettere informazioni sulla struttura di una molecola con un alto livello precisione, tale da sostituire l’approccio visivo. Non siamo più di fronte a un semplice vezzo stilistico di scienziati amanti della musica: il linguaggio musicale potrebbe divenire parte integrante della comunicazione di dati scientifici, all’interno della comunità scientifica e – perché no? – anche al di fuori di essa.

Concerto per proteine, DNA e segnali epigenetici

In futuro, l’uso della musica in biologia potrebbe agevolare il lavoro di scienziati con difficoltà visive, fornendo loro un metodo di indagine alternativo. Gli autori dello studio auspicano che questo sistema raggiunga presto anche le aule universitarie, dove potrebbe essere impiegato per abituare gli studenti a riconoscere le proteine integrando le informazioni visive a quelle uditive. Può sembrare un metodo per pochi eletti, ma con un po’ di allenamento molti studenti potrebbero abituarsi a riconoscere un dominio proteico dal “suono”, proprio come molti di noi non hanno bisogno di essere musicisti professionisti per riconoscere una canzone alla radio dalle prime note.

Dopo le proteine, potrebbe essere il turno degli acidi nucleici e dei segnali epigenetici: come la sequenza di amminoacidi, anche le stringhe di basi azotate e le etichette epigenetiche sono interpretabili come una successione di note e di indicazioni su come “suonare” quel brano. Per esempio, l’algoritmo GEMusicA è stato impiegato per trasformare in musica le informazioni relative all’espressione genica. Il sistema fornisce anche un rapido metodo per confrontare l’espressione genica in due campioni: un tessuto sano potrebbe essere distinto da uno tumorale verificando se “suonano” musiche diverse.

Siamo ancora agli albori di queste nuove tecnologie, ma unire proteine, acidi nucleici e segnali epigenetici in un unico concerto potrebbe regalare agli scienziati una visione di insieme della vita di una cellula mai sperimentata finora: una splendida sinfonia da ascoltare dalla prima all’ultima molecola.

 

Immagine banner e box: Pixabay

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