Le son de la science - le virus SARS-CoV-2 comme morceau de musique classique

Pour commémorer 2020 comme l'Année internationale du son, nous avons pensé qu'il serait peut-être agréable de terminer la semaine avec les sons de la science. L'ISC s'est entretenu avec Markus J. Buehler qui a converti les protéines du virus SARS-CoV-2 en musique.

? "La musique comme reflet algorithmique de la structure"

Nous avons parlé à @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, sur le processus de conversion du virus SARS-CoV-2 en musique et le rôle du son dans la recherche de solutions aux problèmes mondiaux :https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_physique pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
– Conseil scientifique international (@ISC) 19 avril 2020

Quel est le processus de création d'un son pour le virus SARS-CoV-2?

Les protéines sont la pierre angulaire de la vie, y compris les virus. Ils sont constitués de 20 acides aminés, chacun codé par des séquences d'ADN. Ainsi, les protéines sont une matérialisation du langage de l'ADN. Et les protéines reflètent un langage naturel que nous ne savons pas encore parler.

Or, on peut entendre ce langage en calculant les fréquences vibrationnelles des molécules composant les protéines. Chacun vibre, en raison de la température, à un spectre unique et comme un son bien défini (voir notre article ACS Nano 2019). Nous pouvons utiliser ces tons de base, formant un nouveau type de gamme musicale, la gamme des acides aminés, pour définir des séquences sonores. Les rythmes sont utilisés pour exprimer des structures locales, et des éléments d'ordre supérieur comme le pliage sont exprimés dans des caractéristiques hiérarchiques plus complexes de la composition musicale - telles que des mélodies qui se chevauchent, des accords grattés et autres. La musique peut être considérée comme une traduction des divers modèles vibratoires de la structure de la protéine en un signal audio que vous pouvez entendre et exploiter pour une analyse plus approfondie.

En fait, la protéine rayon du virus COVID-19 contient trois chaînes protéiques repliées selon un motif intrigant. Ces structures sont trop petites pour que l'œil puisse les voir, mais elles peuvent être entendues ! Nous avons représenté la structure physique de la protéine, avec ses chaînes enchevêtrées, sous forme de mélodies entrelacées qui forment une composition multicouche. Par conséquent, la pièce résultante est une forme de musique de contrepoint, dans laquelle des notes sont jouées contre des notes. Comme une symphonie, les motifs musicaux reflètent la géométrie d'intersection de la protéine réalisée en matérialisant son code ADN.

Le score que vous avez produit a-t-il un impact sur la façon dont les scientifiques peuvent trouver une solution pour développer un vaccin ?

A plus long terme, oui. La traduction des protéines en son donne aux scientifiques un autre outil pour comprendre et concevoir des protéines. Même une petite mutation peut limiter ou augmenter le pouvoir pathogène du SARS-CoV-2. Grâce à la sonification, nous pouvons également comparer les processus biochimiques de sa protéine de pointe avec des coronavirus précédents, comme le SRAS ou MERS.

Dans la musique que nous avons créée, nous avons analysé la structure vibrationnelle de la protéine de pointe qui infecte l'hôte. Comprendre ces modèles vibratoires est essentiel pour la conception de médicaments et bien plus encore. Les vibrations peuvent changer à mesure que les températures se réchauffent, par exemple, et elles peuvent également nous dire pourquoi le pic du SRAS-CoV-2 gravite vers les cellules humaines plus que les autres virus. Nous explorons ces questions dans le cadre de recherches en cours avec mes étudiants diplômés. Nous pourrions également utiliser une approche compositionnelle pour concevoir des médicaments pour attaquer le virus. Nous pourrions rechercher une nouvelle protéine qui correspond à la mélodie et au rythme d'un anticorps capable de se lier à la protéine de pointe, interférant avec sa capacité à infecter.

C'est l'Année internationale du son. Qu'est-ce que le son peut nous apprendre sur la recherche de solutions aux défis mondiaux auxquels l'humanité est confrontée ?

Nos cerveaux sont excellents pour traiter le son! En un seul passage, nos oreilles captent toutes ses caractéristiques hiérarchiques: hauteur, timbre, volume, mélodie, rythme et accords. Nous aurions besoin d'un microscope à haute puissance pour voir le détail équivalent dans une image, et nous ne pourrions jamais tout voir en même temps. Le son est un moyen si élégant d'accéder aux informations stockées dans une protéine.

En règle générale, le son est produit à partir d'un matériau vibrant, comme une corde de guitare, et la musique est créée en organisant les sons selon des motifs hiérarchiques. Avec l'IA, nous pouvons combiner ces concepts et utiliser des vibrations moléculaires et des réseaux de neurones pour construire de nouvelles formes musicales. Nous avons travaillé sur des méthodes pour transformer les structures protéiques en représentations audibles et traduire ces représentations en nouveaux matériaux.

Nous appelons l'approche consistant à exploiter les matériaux de manière non conventionnelle pour former la base du son et de la musique "matériomusique” – repoussant les limites de la plupart des générations musicales au-delà des cordes vibrantes. Et au-delà des sons complètement synthétiques des méthodes de synthèse. Plutôt, d'utiliser la chimie quantique et les principes physiques réels comme base pour former la toile de la composition musicale.

La conception de nouveaux matériaux est un enjeu essentiel dans le développement de technologies durables – pensez à des matériaux plus légers, plus robustes, plus résistants. Ou des matériaux intelligents qui agissent comme des capteurs. Nous pouvons également faire prendre conscience des pôles opposés de la beauté, de la vie et de la mort, et comprendre le concept de tromperie tel qu'il est au cœur de la nature du modèle d'infection et de propagation du virus. Et nous pouvons, espérons-le, enseigner à de nombreuses personnes dans le monde les protéines - elles sont la base matérielle de toute vie et méritent d'être comprises !

Vous pouvez également considérer la musique comme un reflet algorithmique de la structure. Les Variations Goldberg de Bach, par exemple, sont une brillante réalisation du contrepoint, un principe que nous avons également trouvé dans les protéines. Nous pouvons maintenant entendre ce concept tel que la nature l'a composé, et le comparer aux idées de notre imagination, ou utiliser l'IA pour parler le langage de la conception des protéines et la laisser imaginer de nouvelles structures. Nous pensons que l'analyse du son et de la musique peut nous aider à mieux comprendre le monde matériel. L'expression artistique n'est, après tout, qu'un modèle du monde en nous et autour de nous.

Il y a donc beaucoup à apprendre, de la santé humaine à la biologie en passant par les grands défis.

2020 est le Année internationale du son, une initiative mondiale visant à souligner l'importance des sciences et technologies saines et connexes pour tous dans la société. L'Année internationale du son consistera en des activités coordonnées aux niveaux régional, national et international. Ces activités viseront à stimuler la compréhension à travers le monde du rôle important que joue le son dans tous les aspects de notre société. De plus, ces activités favoriseront également la compréhension de la nécessité de contrôler le bruit dans la nature, dans l'environnement bâti et sur le lieu de travail.

L'ISC, avec l'Union internationale de physique appliquée, IUPAP et l'Union internationale de mathématiques théoriques et appliquées, IUTAM sont fiers de soutenir l'Année internationale du son.

Photo par James Owen on Unsplash