El so de la ciència - el virus SARS-CoV-2 com a peça de música clàssica

Per commemorar el 2020 com l'Any Internacional del So, hem pensat que podria ser bo acabar la setmana amb els sons de la ciència. Va parlar amb l'ISC Markus J. Buehler que ha convertit les proteïnes del virus SARS-CoV-2 en música.

? "La música com a reflex algorítmic de l'estructura"

Hem parlat amb @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, sobre el procés de conversió del virus SARS-CoV-2 en música i el paper del so per trobar solucions als problemes globals:https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_física pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
— International Science Council (@ISC) Abril 19, 2020

Quin és el procés de creació d'un so per al virus SARS-CoV-2?

Les proteïnes són l'element bàsic de la vida, inclosos els virus. Estan fets de 20 aminoàcids, cadascun codificat per seqüències d'ADN. Per tant, les proteïnes són una materialització del llenguatge de l'ADN. I les proteïnes reflecteixen un llenguatge natural que encara no sabem parlar.

Tanmateix, podem escoltar aquest llenguatge calculant les freqüències de vibració de les molècules que formen les proteïnes. Cadascun vibra, a causa de la temperatura, en un espectre únic i com un so ben definit (vegeu el nostre document ACS Nano 2019). Podem utilitzar aquests tons bàsics, formant un nou tipus d'escala musical, l'escala d'aminoàcids, per definir seqüències en el so. Els ritmes s'utilitzen per expressar estructures locals, i els elements d'ordre superior com el plegament s'expressen en característiques jeràrquiques més complexes de la composició musical, com ara melodies superposades, acords rasguejats i altres. La música es pot veure com una traducció dels diferents patrons vibracionals de l'estructura de la proteïna en un senyal d'àudio que podeu escoltar i aprofitar per a una anàlisi posterior.

De fet, la proteïna parlada del virus COVID-19 conté tres cadenes de proteïnes plegades en un patró intrigant. Aquestes estructures són massa petites perquè l'ull les vegi, però es poden escoltar! Vam representar l'estructura física de la proteïna, amb les seves cadenes entrellaçades, com melodies entrellaçades que formen una composició multicapa. Per tant, la peça resultant és una forma de música de contrapunt, en la qual les notes es toquen contra notes. Com una simfonia, els patrons musicals reflecteixen la geometria d'intersecció de la proteïna realitzada mitjançant la materialització del seu codi d'ADN.

La puntuació que heu produït impacta en com els científics poden trobar una solució per desenvolupar una vacuna?

A llarg termini, sí. Traduir proteïnes en so ofereix als científics una altra eina per entendre i dissenyar proteïnes. Fins i tot una petita mutació pot limitar o millorar el poder patogènic del SARS-CoV-2. Mitjançant la sonificació, també podem comparar els processos bioquímics de la seva proteïna espiga amb coronavirus anteriors, com el SARS o MERS.

A la música que vam crear, vam analitzar l'estructura vibratòria de la proteïna espiga que infecta l'hoste. Entendre aquests patrons vibracionals és fonamental per al disseny de fàrmacs i molt més. Les vibracions poden canviar a mesura que les temperatures s'escalfen, per exemple, i també ens poden dir per què l'espiga SARS-CoV-2 gravita cap a les cèl·lules humanes més que altres virus. Estem explorant aquestes preguntes en la investigació actual i en curs amb els meus estudiants de postgrau. També podríem utilitzar un enfocament compositiu per dissenyar fàrmacs per atacar el virus. Podríem buscar una nova proteïna que coincideixi amb la melodia i el ritme d'un anticòs capaç d'unir-se a la proteïna espiga, interferint amb la seva capacitat d'infectar.

És l'Any Internacional del So. Què ens pot ensenyar el so sobre trobar solucions als reptes globals als quals s'enfronta la humanitat?

El nostre cervell és fantàstic per processar el so! En un sol cop, les nostres orelles recullen totes les seves característiques jeràrquiques: to, timbre, volum, melodia, ritme i acords. Necessitarem un microscopi de gran potència per veure el detall equivalent en una imatge, i mai no podríem veure-ho tot alhora. El so és una manera tan elegant d'accedir a la informació emmagatzemada en una proteïna.

Normalment, el so es fa a partir de la vibració d'un material, com una corda de guitarra, i la música es fa ordenant els sons en patrons jeràrquics. Amb la IA podem combinar aquests conceptes i utilitzar vibracions moleculars i xarxes neuronals per construir noves formes musicals. Hem estat treballant en mètodes per convertir les estructures de proteïnes en representacions audibles i traduir aquestes representacions en nous materials.

Anomenem l'enfocament d'explotar materials de maneres no convencionals per formar la base del so i la música "material musical” – empènyer els límits de la majoria de generacions musicals més enllà de les cordes vibrants. I més enllà dels sons completament sintètics dels mètodes de síntesi. Més aviat, utilitzar la química quàntica i els principis físics reals com a base per formar el llenç de la composició musical.

El disseny de nous materials és un repte essencial per desenvolupar tecnologies sostenibles: penseu en materials més lleugers, més robusts i més resistents. O materials intel·ligents que actuen com a sensors. També podem crear consciència dels pols oposats de bellesa, vida i mort, i entendre el concepte d'engany, ja que és el nucli de la naturalesa del patró d'infecció i propagació del virus. I esperem poder ensenyar a moltes persones d'arreu del món sobre les proteïnes: són la base material de tota la vida i val la pena entendre-les!

També podeu pensar en la música com un reflex algorítmic de l'estructura. Les Variacions Goldberg de Bach, per exemple, són una realització brillant del contrapunt, un principi que també hem trobat a les proteïnes. Ara podem escoltar aquest concepte tal com el va compondre la natura i comparar-lo amb les idees de la nostra imaginació, o utilitzar la IA per parlar el llenguatge del disseny de proteïnes i deixar-lo imaginar noves estructures. Creiem que l'anàlisi del so i la música ens pot ajudar a entendre millor el món material. L'expressió artística és, al cap i a la fi, només un model del món que ens envolta i que ens envolta.

Per tant, hi ha molt per aprendre, des de la salut humana fins a la biologia, fins a afrontar grans reptes.

2020 és la Any Internacional del So, una iniciativa global per destacar la importància de les ciències i tecnologies sòlides i relacionades per a tothom a la societat. L'Any Internacional del So consistirà en activitats coordinades a nivell regional, nacional i internacional. Aquestes activitats tindran com a objectiu estimular la comprensió arreu del món de l'important paper que juga el so en tots els aspectes de la nostra societat. Així mateix, aquestes activitats també fomentaran la comprensió de la necessitat de controlar el soroll a la natura, a l'entorn construït i al lloc de treball.

L'ISC, juntament amb la Unió Internacional de Física Aplicada, IUPAP i la Unió Internacional de Matemàtiques Teòriques i Aplicades, IUTAM estem orgullosos de donar suport a l'Any Internacional del So.

Foto: James Owen on Unsplash