Il suono della scienza - il virus SARS-CoV-2 come brano di musica classica

Per commemorare il 2020 come Anno Internazionale del Suono, abbiamo pensato che sarebbe stato bello concludere la settimana con i suoni della scienza. L'ISC ha parlato con Markus J. Buehler che ha convertito in musica le proteine del virus SARS-CoV-2.

? "La musica come riflesso algoritmico della struttura"

Abbiamo parlato con @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, sul processo di conversione del virus SARS-CoV-2 in musica e sul ruolo del suono nella ricerca di soluzioni ai problemi globali:https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_fisica pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
— Consiglio scientifico internazionale (@ISC) 19 aprile 2020

Qual è il processo di creazione di un suono per il virus SARS-CoV-2??

Le proteine sono l'elemento fondamentale della vita, inclusi i virus. Sono costituiti da 20 amminoacidi, ciascuno codificato da sequenze di DNA. Quindi, le proteine sono una materializzazione del linguaggio del DNA. E le proteine riflettono un linguaggio naturale che non sappiamo ancora parlare.

Tuttavia, possiamo ascoltare questo linguaggio calcolando le frequenze vibrazionali delle molecole che compongono le proteine. Ciascuno vibra, a causa della temperatura, a uno spettro unico e come un suono ben definito (vedi il nostro documento ACS Nano 2019). Possiamo usare questi toni di base, formando un nuovo tipo di scala musicale, la scala degli amminoacidi, per definire le sequenze nel suono. I ritmi sono usati per esprimere le strutture locali e gli elementi di ordine superiore come la piegatura sono espressi in caratteristiche gerarchiche più complesse della composizione musicale, come melodie sovrapposte, accordi strimpellati e altri. La musica può essere vista come una traduzione dei vari schemi vibrazionali della struttura proteica in un segnale audio che puoi ascoltare e sfruttare per ulteriori analisi.

In effetti, la proteina del raggio del virus COVID-19 contiene tre catene proteiche piegate in uno schema intrigante. Queste strutture sono troppo piccole per essere viste dall'occhio, ma possono essere ascoltate! Abbiamo rappresentato la struttura fisica della proteina, con le sue catene intrecciate, come melodie intrecciate che formano una composizione multistrato. Quindi, il pezzo risultante è una forma di musica contrappuntistica, in cui le note vengono suonate contro le note. Come una sinfonia, i modelli musicali riflettono la geometria intersecante della proteina realizzata materializzando il suo codice DNA.

Il punteggio che hai prodotto ha un impatto su come gli scienziati possono trovare una soluzione per lo sviluppo di un vaccino?

A lungo termine sì. La traduzione delle proteine in suoni offre agli scienziati un altro strumento per comprendere e progettare le proteine. Anche una piccola mutazione può limitare o aumentare il potere patogeno di SARS-CoV-2. Attraverso la sonificazione, possiamo anche confrontare i processi biochimici della sua proteina spike con i precedenti coronavirus, come la SARS o MERS.

Nella musica che abbiamo creato, abbiamo analizzato la struttura vibrazionale della proteina spike che infetta l'ospite. Comprendere questi modelli vibrazionali è fondamentale per la progettazione di farmaci e molto altro. Le vibrazioni possono cambiare con il riscaldamento delle temperature, ad esempio, e possono anche dirci perché il picco di SARS-CoV-2 gravita verso le cellule umane più di altri virus. Stiamo esplorando queste domande nella ricerca attuale e in corso con i miei studenti laureati. Potremmo anche usare un approccio compositivo per progettare farmaci per attaccare il virus. Potremmo cercare una nuova proteina che corrisponda alla melodia e al ritmo di un anticorpo in grado di legarsi alla proteina spike, interferendo con la sua capacità di infettare.

È l'anno internazionale del suono. Cosa può insegnarci il suono sulla ricerca di soluzioni alle sfide globali che l'umanità deve affrontare?

I nostri cervelli sono bravissimi a elaborare il suono! In un colpo solo, le nostre orecchie raccolgono tutte le sue caratteristiche gerarchiche: intonazione, timbro, volume, melodia, ritmo e accordi. Avremmo bisogno di un microscopio ad alta potenza per vedere i dettagli equivalenti in un'immagine e non potremmo mai vederli tutti in una volta. Il suono è un modo così elegante per accedere alle informazioni memorizzate in una proteina.

Tipicamente, il suono è prodotto dalla vibrazione di un materiale, come una corda di chitarra, e la musica è fatta organizzando i suoni in schemi gerarchici. Con l'IA possiamo combinare questi concetti e usare le vibrazioni molecolari e le reti neurali per costruire nuove forme musicali. Abbiamo lavorato su metodi per trasformare le strutture proteiche in rappresentazioni udibili e tradurre queste rappresentazioni in nuovi materiali.

Chiamiamo l'approccio per sfruttare i materiali in modi non convenzionali per formare la base per il suono e la musica "materialemusica” – spingendo i confini della maggior parte della generazione musicale oltre le corde vibranti. E al di là dei suoni completamente sintetici dei metodi di sintesi. Piuttosto, usare la chimica quantistica e i principi fisici reali come base per formare la tela della composizione musicale.

La progettazione di nuovi materiali è una sfida essenziale nello sviluppo di tecnologie sostenibili: pensa a materiali più leggeri, più robusti e più resistenti. O materiali intelligenti che fungono da sensori. Possiamo anche creare consapevolezza sui poli opposti di bellezza, vita e morte e comprendere il concetto di inganno in quanto è al centro della natura del modello di infezione e diffusione del virus. E speriamo di poter insegnare a molte persone in tutto il mondo le proteine: sono la base materiale di tutta la vita e vale la pena capirle!

Puoi anche pensare alla musica come un riflesso algoritmico della struttura. Le Variazioni Goldberg di Bach, ad esempio, sono una brillante realizzazione del contrappunto, un principio che abbiamo trovato anche nelle proteine. Ora possiamo ascoltare questo concetto mentre la natura lo ha composto e confrontarlo con le idee nella nostra immaginazione, o usare l'intelligenza artificiale per parlare il linguaggio del design delle proteine e lasciargli immaginare nuove strutture. Crediamo che l'analisi del suono e della musica possa aiutarci a capire meglio il mondo materiale. L'espressione artistica è, dopo tutto, solo un modello del mondo dentro di noi e intorno a noi.

Quindi, c'è molto da imparare, dalla salute umana, alla biologia, all'affrontare grandi sfide.

2020 è il Anno Internazionale del Suono, un'iniziativa globale per evidenziare l'importanza di scienze e tecnologie valide e correlate per tutti nella società. L'Anno Internazionale del Suono consisterà in attività coordinate a livello regionale, nazionale e internazionale. Queste attività mireranno a stimolare la comprensione in tutto il mondo dell'importante ruolo che il suono svolge in tutti gli aspetti della nostra società. Inoltre, queste attività incoraggeranno anche la comprensione della necessità del controllo del rumore in natura, nell'ambiente costruito e nei luoghi di lavoro.

L'ISC, insieme all'Unione Internazionale di Fisica Applicata, IUPAP e l'Unione Internazionale di Matematica Teorica e Applicata, IUTAM sono orgogliosi di sostenere l'Anno Internazionale del Suono.

Foto di James owen on Unsplash