O som da ciência - o vírus SARS-CoV-2 como uma peça de música clássica

Para comemorar 2020 como o Ano Internacional do Som, achamos que seria legal terminar a semana com os sons da ciência. O ISC conversou com Markus J. Buehler que converteu as proteínas do vírus SARS-CoV-2 em música.

? "A música como um reflexo algorítmico da estrutura"

Falamos com @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, sobre o processo de conversão do vírus SARS-CoV-2 em música e o papel do som na busca de soluções para problemas globais:https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_física pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
- Conselho Internacional de Ciências (@ISC) 19 de abril de 2020

Qual é o processo de criação de um som para o vírus SARS-CoV-2?

As proteínas são o bloco de construção básico da vida, incluindo os vírus. Eles são feitos de 20 aminoácidos, cada um codificado por sequências de DNA. Assim, as proteínas são uma materialização da linguagem do DNA. E as proteínas refletem uma linguagem natural que ainda não sabemos falar.

No entanto, podemos ouvir essa linguagem calculando as frequências vibracionais das moléculas que compõem as proteínas. Cada um vibra, devido à temperatura, em um espectro único e como um som bem definido (veja nosso artigo ACS Nano de 2019). Podemos usar esses tons básicos, formando um novo tipo de escala musical, a escala de aminoácidos, para definir sequências no som. Ritmos são usados para expressar estruturas locais, e elementos de ordem superior como as dobras são expressos em características hierárquicas mais complexas da composição musical – como melodias sobrepostas, acordes dedilhados e outros. A música pode ser vista como uma tradução dos vários padrões vibracionais da estrutura da proteína em um sinal de áudio que você pode ouvir e explorar para análise posterior.

De fato, a proteína spoke do vírus COVID-19 contém três cadeias de proteínas dobradas em um padrão intrigante. Essas estruturas são muito pequenas para os olhos verem, mas podem ser ouvidas! Representamos a estrutura física da proteína, com suas cadeias emaranhadas, como melodias entrelaçadas que formam uma composição multicamada. Assim, a peça resultante é uma forma de música de contraponto, na qual notas são tocadas contra notas. Como uma sinfonia, os padrões musicais refletem a geometria de interseção da proteína realizada pela materialização de seu código de DNA.

A pontuação que você produziu tem impacto em como os cientistas podem encontrar uma solução para o desenvolvimento de uma vacina?

A longo prazo, sim. Traduzir proteínas em som dá aos cientistas outra ferramenta para entender e projetar proteínas. Mesmo uma pequena mutação pode limitar ou aumentar o poder patogênico do SARS-CoV-2. Por meio da sonificação, também podemos comparar os processos bioquímicos de sua proteína spike com coronavírus anteriores, como SARS ou MERS.

Na música que criamos, analisamos a estrutura vibracional da proteína spike que infecta o hospedeiro. Compreender esses padrões vibracionais é fundamental para o projeto de medicamentos e muito mais. As vibrações podem mudar à medida que as temperaturas aumentam, por exemplo, e também podem nos dizer por que o pico de SARS-CoV-2 gravita em direção às células humanas mais do que outros vírus. Estamos explorando essas questões em pesquisas atuais e em andamento com meus alunos de pós-graduação. Também podemos usar uma abordagem de composição para projetar medicamentos para atacar o vírus. Poderíamos procurar uma nova proteína que corresponda à melodia e ritmo de um anticorpo capaz de se ligar à proteína spike, interferindo em sua capacidade de infectar.

É o Ano Internacional do Som. O que o som pode nos ensinar sobre como encontrar soluções para os desafios globais enfrentados pela humanidade?

Nossos cérebros são ótimos no processamento de som! Em uma varredura, nossos ouvidos captam todas as suas características hierárquicas: altura, timbre, volume, melodia, ritmo e acordes. Precisaríamos de um microscópio de alta potência para ver o detalhe equivalente em uma imagem, e nunca poderíamos ver tudo de uma vez. O som é uma forma elegante de acessar as informações armazenadas em uma proteína.

Normalmente, o som é feito vibrando um material, como uma corda de violão, e a música é feita arranjando-se os sons em padrões hierárquicos. Com a IA, podemos combinar esses conceitos e usar vibrações moleculares e redes neurais para construir novas formas musicais. Temos trabalhado em métodos para transformar estruturas de proteínas em representações audíveis e traduzir essas representações em novos materiais.

Chamamos a abordagem de explorar materiais de maneiras não convencionais para formar a base do som e da música “música material” – empurrando os limites da maioria das gerações musicais além das cordas vibrantes. E além dos sons completamente sintéticos dos métodos de síntese. Em vez disso, usar a química quântica e os princípios físicos reais como base para formar a tela da composição musical.

O design de novos materiais é um desafio essencial no desenvolvimento de tecnologias sustentáveis – pense em materiais mais leves, mais robustos e mais resilientes. Ou materiais inteligentes que atuam como sensores. Também podemos conscientizar os polos opostos de beleza, vida e morte, e entender o conceito de engano, pois está no centro da natureza do padrão de infecção e disseminação do vírus. E esperamos poder ensinar muitas pessoas ao redor do mundo sobre proteínas – elas são a base material para toda a vida e vale a pena entender!

Você também pode pensar na música como um reflexo algorítmico da estrutura. As Variações Goldberg de Bach, por exemplo, são uma brilhante realização do contraponto, um princípio que também encontramos nas proteínas. Agora podemos ouvir esse conceito como a natureza o compôs e compará-lo com ideias em nossa imaginação, ou usar a IA para falar a linguagem do design de proteínas e deixá-la imaginar novas estruturas. Acreditamos que a análise do som e da música pode nos ajudar a entender melhor o mundo material. A expressão artística é, afinal, apenas um modelo do mundo dentro de nós e ao nosso redor.

Portanto, há muito o que aprender, desde a saúde humana, a biologia, até o enfrentamento de grandes desafios.

2020 é a Ano Internacional do Som, uma iniciativa global para destacar a importância das ciências e tecnologias sólidas e relacionadas para todos na sociedade. O Ano Internacional do Som consistirá em atividades coordenadas nos níveis regional, nacional e internacional. Essas atividades terão como objetivo estimular a compreensão em todo o mundo do importante papel que o som desempenha em todos os aspectos da nossa sociedade. Além disso, essas atividades também estimularão a compreensão da necessidade de controle do ruído na natureza, no ambiente construído e no local de trabalho.

O ISC, juntamente com a União Internacional de Física Aplicada, IUPAP e a União Internacional de Matemática Teórica e Aplicada, IUTAM orgulham-se de apoiar o Ano Internacional do Som.

Foto por James Owen on Unsplash