La sono de scienco - la SARS-CoV-2-viruso kiel peco de klasika muziko

Por festi 2020 kiel la Internacia Jaro de Sono, ni pensis, ke eble estos bone fini la semajnon kun la sonoj de scienco. La ISC parolis kun Markus J. Buehler kiu konvertis la proteinojn de la SARS-CoV-2-viruso en muzikon.

? "Muziko kiel algoritma reflektado de strukturo"

Ni parolis al @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, pri la procezo konverti la SARS-CoV-2-viruson en muzikon kaj la rolon de sono por trovi solvojn al tutmondaj problemoj:https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_fiziko pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
— Internacia Scienca Konsilio (@ISC) Aprilo 19, 2020

Kio estas la procezo krei sonon por la SARS-CoV-2-viruso?

Proteinoj estas la baza konstrubriketo de vivo, inkluzive de virusoj. Ili estas faritaj el 20 aminoacidoj, ĉiu ĉifrita per DNA-sekvencoj. Do, proteinoj estas materiigo de la DNA-lingvo. Kaj proteinoj reflektas naturan lingvon, kiun ni ankoraŭ ne scias paroli.

Tamen, ni povas aŭdi ĉi tiun lingvon kalkulante la vibrajn frekvencojn de la molekuloj konsistigantaj la proteinojn. Ĉiu vibras, pro temperaturo, je unika spektro, kaj kiel bone difinita sono (vidu nian 2019 ACS Nano-paperon). Ni povas uzi ĉi tiujn bazajn tonojn, formante novan specon de muzika skalo, la aminoacida skalo, por difini sekvencojn en sono. Ritmoj kutimas esprimi lokajn strukturojn, kaj pli alt-ordaj elementoj kiel la faldado estas esprimitaj en pli kompleksaj hierarkiaj ecoj de la muzika kunmetaĵo - kiel ekzemple imbrikitaj melodioj, strumitaj akordoj, kaj aliaj. La muziko povas esti vidita kiel traduko de la diversaj vibraj ŝablonoj de la proteinstrukturo en sonsignalon, kiun vi povas aŭdi kaj ekspluati por plia analizo.

Fakte, la parola proteino de la viruso COVID-19 enhavas tri proteinajn ĉenojn falditajn en interesan ŝablonon. Ĉi tiuj strukturoj estas tro malgrandaj por ke la okulo vidu, sed ili aŭdeblas! Ni reprezentis la fizikan proteinstrukturon, kun ĝiaj implikitaj ĉenoj, kiel interplektitaj melodioj kiuj formas plurtavolan komponaĵon. Tial, la rezulta peco estas formo de kontrapunkta muziko, en kiu notoj estas luditaj kontraŭ notoj. Kiel simfonio, la muzikaj padronoj reflektas la intersekcan geometrion de la proteino realigitan realigante ĝian DNA-kodon.

Ĉu la poentaro, kiun vi produktis, influas kiel sciencistoj povas trovi solvon por disvolvi vakcinon?

Longtempe, jes. Traduki proteinojn en sonon donas al sciencistoj alian ilon por kompreni kaj desegni proteinojn. Eĉ malgranda mutacio povas limigi aŭ plibonigi la patogenan potencon de SARS-CoV-2. Per sonigado, ni ankaŭ povas kompari la biokemiajn procezojn de ĝia pikproteino kun antaŭaj koronavirusoj, kiel SARS aŭ MERS.

En la muziko, kiun ni kreis, ni analizis la vibradan strukturon de la pikproteino, kiu infektas la gastiganton. Kompreni ĉi tiujn vibrajn ŝablonojn estas kritika por drogdezajno kaj multe pli. Vibradoj povas ŝanĝiĝi kiam temperaturoj varmiĝas, ekzemple, kaj ili ankaŭ povas diri al ni kial la SARS-CoV-2-pikilo gravitas al homaj ĉeloj pli ol aliaj virusoj. Ni esploras ĉi tiujn demandojn en aktuala, daŭra esplorado kun miaj diplomiĝaj studentoj. Ni ankaŭ povus uzi komponan aliron por desegni medikamentojn por ataki la viruson. Ni povus serĉi novan proteinon, kiu kongruas kun la melodio kaj ritmo de antikorpo kapabla ligi al la pikproteino, malhelpante ĝian kapablon infekti.

Ĝi estas la Internacia Jaro de Sono. Kio povas la sono instrui nin pri trovado de solvoj al la tutmondaj defioj alfrontantaj la homaron?

Niaj cerboj estas bonega pri prilaborado de sono! Per unu svingo, niaj oreloj kaptas ĉiujn ĝiajn hierarkiajn trajtojn: tonalto, sonkoloro, volumeno, melodio, ritmo kaj akordoj. Ni bezonus altfortan mikroskopon por vidi la ekvivalentan detalon en bildo, kaj ni neniam povus vidi ĝin tute samtempe. Sono estas tiel eleganta maniero aliri la informojn konservitajn en proteino.

Tipe, sono estas farita de vibrado de materialo, kiel gitarkordo, kaj muziko estas farita per aranĝado de sonoj en hierarkiaj padronoj. Kun AI ni povas kombini ĉi tiujn konceptojn, kaj uzi molekulajn vibradojn kaj neŭralajn retojn por konstrui novajn muzikajn formojn. Ni laboris pri metodoj por igi proteinajn strukturojn en aŭdeblajn reprezentojn, kaj traduki ĉi tiujn reprezentojn en novajn materialojn.

Ni nomas la aliron ekspluati materialojn en nekonvenciaj manieroj por formi la bazon por sono kaj muziko "materiamuziko” – puŝante la limojn de plej muzika generacio preter vibraj kordoj. Kaj preter la tute sintezaj sonoj de sintezaj metodoj. Prefere, uzi kvantumkemion kaj realajn fizikajn principojn kiel la bazon por formi la kanvason de muzika kunmetaĵo.

La dezajno de novaj materialoj estas esenca defio en evoluigado de daŭrigeblaj teknologioj - pensu pri pli malpezaj, pli fortikaj, pli rezistemaj materialoj. Aŭ inteligentaj materialoj, kiuj funkcias kiel sensiloj. Ni ankaŭ povas krei konscion pri la kontraŭaj polusoj de beleco, vivo kaj morto, kaj kompreni la koncepton de trompo ĉar ĝi estas la kerno de la naturo de la ŝablono de infekto kaj disvastiĝo de la viruso. Kaj ni espereble povas instrui multajn homojn tra la mondo pri proteinoj - ili estas la materiala bazo por la tuta vivo kaj komprenindaj!

Vi ankaŭ povas pensi pri muziko kiel algoritma reflektado de strukturo. La Goldberg-Variaĵoj de Bach, ekzemple, estas brila realigo de kontrapunkto, principo, kiun ni ankaŭ trovis en proteinoj. Ni nun povas aŭdi ĉi tiun koncepton kiel la naturo komponis ĝin, kaj kompari ĝin kun ideoj en nia imago, aŭ uzi AI por paroli la lingvon de protein-dezajno kaj lasi ĝin imagi novajn strukturojn. Ni kredas, ke la analizo de sono kaj muziko povas helpi nin pli bone kompreni la materian mondon. Arta esprimo estas, finfine, nur modelo de la mondo ene de ni kaj ĉirkaŭ ni.

Do, estas multo por lerni, de homa sano, ĝis biologio, ĝis trakti grandajn defiojn.

2020 estas la Internacia Jaro de Sono, tutmonda iniciato reliefigi la gravecon de solidaj kaj rilataj sciencoj kaj teknologioj por ĉiuj en la socio. La Internacia Jaro de Sono konsistos el kunordigitaj agadoj sur regiona, nacia kaj internacia niveloj. Tiuj ĉi agadoj celos stimuli la komprenon tra la mondo pri la grava rolo, kiun la sono ludas en ĉiuj aspektoj de nia socio. Ankaŭ, ĉi tiuj agadoj ankaŭ kuraĝigos komprenon pri la bezono de kontrolo de bruo en la naturo, en la konstruita medio kaj en la laborejo.

La ISC, kune kun la Internacia Unio de Aplikata Fiziko, IUPAP kaj la Internacia Unio de Teoria kaj Aplika Matematiko, IUTAM estas fieraj subteni la Internacian Jaron de Sono.

Foto de James Owen on Unsplash