Teaduse kõla – SARS-CoV-2 viirus klassikalise muusika teosena

2020. aasta kui rahvusvahelise heliaasta tähistamiseks leidsime, et võiks olla tore lõpetada nädal teaduslike helidega. ISC rääkis Markus J. Buehler kes on SARS-CoV-2 viiruse valgud muusikaks muutnud.

? "Muusika kui struktuuri algoritmiline peegeldus"

Me rääkisime @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, SARS-CoV-2 viiruse muusikaks muutmise protsessist ja heli rollist globaalsetele probleemidele lahenduste leidmisel:https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_physics pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
— Rahvusvaheline Teadusnõukogu (@ISC) Aprill 19, 2020

Milline on SARS-CoV-2 viiruse heli loomise protsess??

Valgud on elu, sealhulgas viiruste, põhiline ehituskivi. Need on valmistatud 20 aminohappest, millest igaüks on kodeeritud DNA järjestusega. Niisiis on valgud DNA keele materialisatsioon. Ja valgud peegeldavad loomulikku keelt, mida me veel ei oska rääkida.

Seda keelt saame aga kuulda, arvutades valke moodustavate molekulide võnkesagedusi. Igaüks neist vibreerib temperatuuri tõttu ainulaadse spektriga ja täpselt määratletud helina (vt meie 2019. aasta ACS Nano paberit). Me saame kasutada neid põhitoone, moodustades uudse tüüpi muusikalise skaala, aminohapete skaala, et määratleda heli jadasid. Rütme kasutatakse kohalike struktuuride väljendamiseks ja kõrgemat järku elemente, nagu voltimine, väljendatakse muusikalise kompositsiooni keerukamates hierarhilistes tunnustes – nagu kattuvad meloodiad, trummeldatud akordid ja muud. Muusikat võib vaadelda kui valgustruktuuri erinevate vibratsioonimustrite tõlget helisignaaliks, mida saate kuulda ja edasiseks analüüsiks kasutada.

Tegelikult sisaldab COVID-19 viiruse kodaravalk kolme valguahelat, mis on volditud intrigeerivaks mustriks. Need struktuurid on liiga väikesed, et silm näeks, kuid neid on kuulda! Me esindasime valgu füüsilist struktuuri koos selle põimunud ahelatega põimunud meloodiatena, mis moodustavad mitmekihilise kompositsiooni. Seega on saadud pala kontrapunktmuusika vorm, kus noote mängitakse nootide vastu. Nagu sümfoonia, peegeldavad muusikalised mustrid valgu lõikuvat geomeetriat, mis on realiseeritud selle DNA koodi materialiseerimise teel.

Kas teie saadud tulemus mõjutab seda, kuidas teadlased võivad vaktsiini väljatöötamiseks lahenduse leida?

Pikemas perspektiivis jah. Valkude heliks tõlkimine annab teadlastele veel ühe vahendi valkude mõistmiseks ja kujundamiseks. Isegi väike mutatsioon võib piirata või suurendada SARS-CoV-2 patogeenset jõudu. Ultrahelistamise abil saame võrrelda selle piigivalgu biokeemilisi protsesse varasemate koroonaviirustega, nagu SARS või MERS.

Meie loodud muusikas analüüsisime peremeesorganismi nakatava teraviku valgu vibratsioonilist struktuuri. Nende vibratsioonimustrite mõistmine on ravimite kavandamise ja palju muu jaoks kriitilise tähtsusega. Vibratsioonid võivad muutuda näiteks temperatuuride soojenedes ja võivad meile ka öelda, miks SARS-CoV-2 nael tõmbub inimese rakkude poole rohkem kui teised viirused. Uurime neid küsimusi praeguste, käimasolevate uurimistööde käigus koos minu kraadiõppuritega. Võime kasutada ka kompositsioonilist lähenemisviisi, et kavandada ravimeid, mis viiruse ründamiseks. Võiksime otsida uut valku, mis sobiks selle antikeha meloodia ja rütmiga, mis on võimeline seonduma piigivalguga, segades selle nakatamisvõimet.

Käes on rahvusvaheline heliaasta. Mida võib heli meile õpetada inimkonna ees seisvatele globaalsetele väljakutsetele lahenduste leidmise kohta?

Meie aju oskab suurepäraselt heli töödelda! Meie kõrvad tabavad ühe pühkimisega kõik selle hierarhilised omadused: helikõrgus, tämber, helitugevus, meloodia, rütm ja akordid. Me vajame suure võimsusega mikroskoopi, et näha pildil samaväärset detaili, ja me ei saaks kunagi seda kõike korraga näha. Heli on nii elegantne viis valku salvestatud teabele juurde pääseda.

Tavaliselt tehakse heli vibreerivast materjalist, näiteks kitarrikeeltest, ja muusikat tehakse helide järjestamisel hierarhilistesse mustritesse. Tehisintellektiga saame need mõisted kombineerida ning kasutada molekulaarseid vibratsioone ja närvivõrke uute muusikavormide loomiseks. Oleme töötanud meetodite kallal, et muuta valgustruktuurid kuuldavaks esituseks ja tõlkida need esitused uuteks materjalideks.

Me nimetame lähenemisviisi kasutada materjale mittekonventsionaalsetel viisidel, et luua alus heli ja muusika jaoks "materiaalne muusika” – nihutades enamiku muusikapõlvkondade piire vibreerivatest keelpillidest kaugemale. Ja peale sünteesimeetodite täiesti sünteetiliste helide. Pigem võtta muusikalise kompositsiooni lõuendi moodustamisel aluseks kvantkeemia ja reaalsed füüsikalised printsiibid.

Uute materjalide disain on jätkusuutlike tehnoloogiate väljatöötamisel oluline väljakutse – mõelge kergematele, vastupidavamatele ja vastupidavamatele materjalidele. Või nutikad materjalid, mis toimivad anduritena. Samuti saame teadvustada ilu, elu ja surma vastandlikke pooluseid ning mõista pettuse mõistet, kuna see on viiruse nakatumis- ja levimismustri olemuse keskmes. Ja loodetavasti saame valkudest õpetada paljudele inimestele üle maailma – need on kogu elu materiaalne alus ja väärivad mõistmist!

Muusikast võib mõelda ka kui struktuuri algoritmilise peegeldusena. Näiteks Bachi Goldbergi variatsioonid on suurepärane teostus kontrapunktist, põhimõttest, mida oleme leidnud ka valkudes. Nüüd võime kuulda seda kontseptsiooni nii, nagu loodus selle koostas, ja võrrelda seda meie kujutlusvõime ideedega või kasutada tehisintellekti, et rääkida valgu disaini keeles ja lasta tal kujutleda uusi struktuure. Usume, et heli ja muusika analüüs aitab meil materiaalset maailma paremini mõista. Kunstiline väljendus on ju vaid mudel maailmast meie sees ja meie ümber.

Seega on palju õppida, alustades inimeste tervisest, lõpetades bioloogiaga ja lõpetades suurte väljakutsetega.

2020 on Rahvusvaheline heliaasta, ülemaailmne algatus, mille eesmärk on rõhutada usaldusväärsete ja nendega seotud teaduste ja tehnoloogiate tähtsust ühiskonna kõigi jaoks. Rahvusvaheline heliaasta koosneb koordineeritud tegevustest piirkondlikul, riiklikul ja rahvusvahelisel tasandil. Nende tegevuste eesmärk on stimuleerida kogu maailmas arusaamist heli olulisest rollist meie ühiskonna kõigis aspektides. Samuti soodustavad need tegevused arusaamist müra kontrollimise vajadusest looduses, ehitatud keskkonnas ja töökohal.

ISC koos Rahvusvahelise Rakendusfüüsika Liiduga IUPAP ja Rahvusvaheline Teoreetilise ja Rakendusmatemaatika Liit, IUTAM toetavad uhkusega rahvusvahelist heliaastat.

Foto: James Owen on Unsplash