صوت العلم - فيروس SARS-CoV-2 كقطعة من الموسيقى الكلاسيكية

للاحتفال بعام 2020 باعتباره العام الدولي للصوت ، اعتقدنا أنه قد يكون من الجيد إنهاء الأسبوع بأصوات العلم. تحدث مركز الدراسات الدولي مع ماركوس جيه بوهلر الذي قام بتحويل البروتينات من فيروس SARS-CoV-2 إلى موسيقى.

؟ "الموسيقى باعتبارها انعكاس خوارزمي للبنية"

تحدثنا إلى تضمين التغريدة, MIT_CEEحول عملية تحويل فيروس SARS-CoV-2 إلى موسيقى ودور الصوت في إيجاد حلول للمشاكل العالمية:https://t.co/RoyinhWnY2 # IYOS2020 تضمين التغريدة pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
- المجلس الدولي للعلوم (ISC) 19 نيسان

ما هي عملية إنشاء صوت لفيروس SARS-CoV-2?

البروتينات هي لبنة البناء الأساسية للحياة ، بما في ذلك الفيروسات. وهي مكونة من 20 حمضًا أمينيًا ، كل منها مشفر بواسطة تسلسل الحمض النووي. لذا ، فإن البروتينات هي تجسيد للغة DNA. وتعكس البروتينات لغة طبيعية لا نعرف حتى الآن كيف نتحدثها.

ومع ذلك ، يمكننا سماع هذه اللغة عن طريق حساب الترددات الاهتزازية للجزيئات المكونة للبروتينات. يهتز كل منها ، بسبب درجة الحرارة ، وبطيف فريد ، وكصوت محدد جيدًا (راجع ورق نانو ACS لعام 2019). يمكننا استخدام هذه النغمات الأساسية ، لتشكيل نوع جديد من الميزان الموسيقي ، مقياس الأحماض الأمينية ، لتحديد التسلسلات في الصوت. تُستخدم الإيقاعات للتعبير عن الهياكل المحلية ، ويتم التعبير عن العناصر ذات الترتيب الأعلى مثل الطي في سمات هرمية أكثر تعقيدًا للتكوين الموسيقي - مثل الألحان المتداخلة ، والأوتار المقطوعة ، وغيرها. يمكن اعتبار الموسيقى على أنها ترجمة للأنماط الاهتزازية المختلفة لبنية البروتين إلى إشارة صوتية يمكنك سماعها واستغلالها لمزيد من التحليل.

في الواقع ، يحتوي البروتين المتكلم لفيروس COVID-19 على ثلاث سلاسل بروتين مطوية في نمط مثير للاهتمام. هذه الهياكل صغيرة جدًا بحيث لا يمكن للعين رؤيتها ، لكن يمكن سماعها! لقد مثلنا التركيب الفيزيائي للبروتين ، بسلاسله المتشابكة ، كألحان متشابكة تشكل تركيبة متعددة الطبقات. ومن ثم ، فإن المقطوعة الناتجة هي شكل من أشكال الموسيقى المقابلة ، حيث يتم عزف النوتات الموسيقية مقابل النوتات الموسيقية. مثل السيمفونية ، تعكس الأنماط الموسيقية الهندسة المتقاطعة للبروتين التي تتحقق من خلال تجسيد كود الحمض النووي الخاص به.

هل تؤثر النتيجة التي حققتها على الكيفية التي قد يجد بها العلماء حلاً لتطوير لقاح؟

على المدى الطويل ، نعم. تمنح ترجمة البروتينات إلى صوت العلماء أداة أخرى لفهم البروتينات وتصميمها. حتى الطفرة الصغيرة يمكن أن تحد أو تعزز القوة الممرضة لـ SARS-CoV-2. من خلال الصوتنة ، يمكننا أيضًا مقارنة العمليات الكيميائية الحيوية لبروتينه السنبلة مع فيروسات كورونا السابقة ، مثل السارس أو MERS.

في الموسيقى التي أنشأناها ، حللنا البنية الاهتزازية لبروتين السنبلة الذي يصيب المضيف. إن فهم هذه الأنماط الاهتزازية أمر بالغ الأهمية لتصميم الأدوية وأكثر من ذلك بكثير. قد تتغير الاهتزازات مع ارتفاع درجات الحرارة ، على سبيل المثال ، وقد تخبرنا أيضًا عن سبب انجذاب ارتفاع SARS-CoV-2 نحو الخلايا البشرية أكثر من الفيروسات الأخرى. نحن نستكشف هذه الأسئلة في البحث الحالي المستمر مع طلاب الدراسات العليا. قد نستخدم أيضًا نهجًا تركيبيًا لتصميم أدوية لمهاجمة الفيروس. يمكننا البحث عن بروتين جديد يطابق لحن وإيقاع الجسم المضاد القادر على الارتباط ببروتين السنبلة ، مما يتداخل مع قدرته على الإصابة.

إنها السنة الدولية للصوت. ماذا يمكن أن يعلمنا الصوت عن إيجاد حلول للتحديات العالمية التي تواجه البشرية؟

أدمغتنا رائعة في معالجة الصوت! في عملية مسح واحدة ، تلتقط آذاننا جميع سماتها الهرمية: النغمة ، والجرس ، والحجم ، واللحن ، والإيقاع ، والأوتار. سنحتاج إلى مجهر عالي القدرة لرؤية التفاصيل المكافئة في الصورة ، ولن نتمكن من رؤيتها كلها مرة واحدة. الصوت هو طريقة أنيقة للوصول إلى المعلومات المخزنة في البروتين.

عادةً ما ينتج الصوت من اهتزاز مادة ، مثل وتر الغيتار ، والموسيقى تصنع بترتيب الأصوات في أنماط هرمية. باستخدام الذكاء الاصطناعي ، يمكننا الجمع بين هذه المفاهيم ، واستخدام الاهتزازات الجزيئية والشبكات العصبية لبناء أشكال موسيقية جديدة. لقد عملنا على طرق لتحويل هياكل البروتين إلى تمثيلات مسموعة ، وترجمة هذه التمثيلات إلى مواد جديدة.

نطلق على نهج استغلال المواد بطرق غير تقليدية لتشكيل أساس الصوت والموسيقى "موسيقى ماتيريوموسيك"- دفع حدود معظم الأجيال الموسيقية إلى ما وراء الأوتار المهتزة. وما وراء الأصوات الاصطناعية تمامًا لطرق التوليف. بدلاً من ذلك ، استخدام كيمياء الكم والمبادئ الفيزيائية الحقيقية كأساس لتشكيل لوحة التكوين الموسيقي.

يعد تصميم المواد الجديدة تحديًا أساسيًا في تطوير تقنيات مستدامة - فكر في مواد أخف وزنًا وأكثر قوة ومرونة. أو مواد ذكية تعمل كمستشعرات. يمكننا أيضًا خلق وعي للقطبين المتعارضين للجمال والحياة والموت ، وفهم مفهوم الخداع كما هو في صميم طبيعة نمط الفيروس من العدوى وانتشاره. ونأمل أن نعلم الكثير من الناس حول العالم عن البروتينات - فهي الأساس المادي لكل أشكال الحياة وتستحق الفهم!

يمكنك أيضًا التفكير في الموسيقى على أنها انعكاس خوارزمي للبنية. على سبيل المثال ، تعد متغيرات غولدبرغ لباخ بمثابة إدراك رائع للنقطة المقابلة ، وهو مبدأ وجدناه أيضًا في البروتينات. يمكننا الآن سماع هذا المفهوم حيث أن الطبيعة هي التي قامت بتكوينه ، ومقارنته بالأفكار الموجودة في خيالنا ، أو استخدام الذكاء الاصطناعي للتحدث بلغة تصميم البروتين والسماح لها بتخيل هياكل جديدة. نعتقد أن تحليل الصوت والموسيقى يمكن أن يساعدنا في فهم العالم المادي بشكل أفضل. التعبير الفني ، بعد كل شيء ، مجرد نموذج للعالم بداخلنا ومن حولنا.

لذلك ، هناك الكثير لنتعلمه بدءًا من صحة الإنسان إلى علم الأحياء وحتى مواجهة التحديات الكبرى.

2020 هو السنة الدولية للصوت، مبادرة عالمية لتسليط الضوء على أهمية العلوم والتقنيات السليمة وذات الصلة للجميع في المجتمع. ستتكون السنة الدولية للصوت من أنشطة منسقة على المستويات الإقليمية والوطنية والدولية. تهدف هذه الأنشطة إلى تحفيز الفهم في جميع أنحاء العالم للدور المهم الذي يلعبه الصوت في جميع جوانب مجتمعنا. بالإضافة إلى ذلك ، ستشجع هذه الأنشطة أيضًا على فهم الحاجة إلى التحكم في الضوضاء في الطبيعة وفي البيئة المبنية وفي مكان العمل.

مركز الدراسات الدولي ، إلى جانب الاتحاد الدولي للفيزياء التطبيقية ، إيوباب والاتحاد الدولي للرياضيات النظرية والتطبيقية ، يوتام نفخر بدعم السنة الدولية للصوت.

تصوير جيمس أوين on Unsplash