Sunetul științei - virusul SARS-CoV-2 ca piesă de muzică clasică

Pentru a comemora anul 2020 ca fiind Anul internațional al sunetului, ne-am gândit că ar putea fi frumos să terminăm săptămâna cu sunetele științei. ISC a vorbit cu Markus J. Buehler care a transformat proteinele din virusul SARS-CoV-2 în muzică.

? „Muzica ca reflexie algoritmică a structurii”

Am vorbit @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, despre procesul de convertire a virusului SARS-CoV-2 în muzică și rolul sunetului în găsirea soluțiilor la problemele globale:https://t.co/RoyinhWnY2 # IYOS2020 @IUPAP_physics pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
- International Science Council (@ISC) Aprilie 19, 2020

Care este procesul de creare a unui sunet pentru virusul SARS-CoV-2?

Proteinele sunt elementul de bază al vieții, inclusiv virusurile. Acestea sunt fabricate din 20 de aminoacizi, fiecare codificat de secvențe de ADN. Deci, proteinele sunt o materializare a limbajului ADN. Iar proteinele reflectă un limbaj natural pe care încă nu știm să îl vorbim.

Cu toate acestea, putem auzi acest limbaj calculând frecvențele vibraționale ale moleculelor care alcătuiesc proteinele. Fiecare vibrează, datorită temperaturii, la un spectru unic și ca un sunet bine definit (consultați hârtia noastră 2019 ACS Nano). Putem folosi aceste tonuri de bază, formând un tip nou de scară muzicală, scara de aminoacizi, pentru a defini secvențe în sunet. Ritmurile sunt folosite pentru a exprima structuri locale, iar elementele de ordin superior precum plierea sunt exprimate în trăsături ierarhice mai complexe ale compoziției muzicale - cum ar fi melodii suprapuse, acorduri sfâșiate și altele. Muzica poate fi văzută ca o traducere a diferitelor modele vibraționale ale structurii proteinei într-un semnal audio pe care îl puteți auzi și exploata pentru o analiză ulterioară.

De fapt, proteina spiță a virusului COVID-19 conține trei lanțuri de proteine pliate într-un model interesant. Aceste structuri sunt prea mici pentru a fi văzute de ochi, dar pot fi auzite! Am reprezentat structura fizică a proteinelor, cu lanțurile sale încurcate, ca melodii împletite care formează o compoziție cu mai multe straturi. Prin urmare, piesa rezultată este o formă de muzică contrapunct, în care notele sunt jucate contra notelor. La fel ca o simfonie, modelele muzicale reflectă geometria intersectării proteinei realizată prin materializarea codului său ADN.

Scorul pe care l-ați produs are un impact asupra modului în care oamenii de știință pot găsi o soluție la dezvoltarea unui vaccin?

Pe termen mai lung, da. Traducerea proteinelor în sunet oferă oamenilor de știință un alt instrument de înțelegere și proiectare a proteinelor. Chiar și o mică mutație poate limita sau spori puterea patogenă a SARS-CoV-2. Prin sonificare, putem compara, de asemenea, procesele biochimice ale proteinei sale spike cu coronavirusurile anterioare, cum ar fi SARS sau MERS.

În muzica pe care am creat-o, am analizat structura vibrațională a proteinei spike care infectează gazda. Înțelegerea acestor modele vibraționale este esențială pentru proiectarea medicamentelor și multe altele. Vibrațiile se pot schimba pe măsură ce temperaturile sunt calde, de exemplu, și ne pot spune, de asemenea, de ce vârful SARS-CoV-2 gravită către celulele umane mai mult decât alte virusuri. Explorăm aceste întrebări în cercetările actuale și în curs cu studenții mei absolvenți. Am putea folosi, de asemenea, o abordare compozițională pentru a proiecta medicamente pentru a ataca virusul. Am putea căuta o nouă proteină care să se potrivească cu melodia și ritmul unui anticorp capabil să se lege de proteina spike, interferând cu capacitatea sa de a infecta.

Este Anul Internațional al Sunetului. Ce ne poate învăța sunetul despre găsirea de soluții la provocările globale cu care se confruntă omenirea?

Creierul nostru este minunat la procesarea sunetului! Într-o singură mișcare, urechile noastre iau toate trăsăturile ierarhice: ton, timbru, volum, melodie, ritm și acorduri. Am avea nevoie de un microscop de mare putere pentru a vedea detaliile echivalente într-o imagine și nu am putea să le vedem niciodată dintr-o dată. Sunetul este un mod atât de elegant de a accesa informațiile stocate într-o proteină.

De obicei, sunetul se face din vibrarea unui material, ca o coardă de chitară, iar muzica se face prin aranjarea sunetelor în modele ierarhice. Cu AI putem combina aceste concepte și putem folosi vibrații moleculare și rețele neuronale pentru a construi noi forme muzicale. Am lucrat la metode pentru a transforma structurile proteinelor în reprezentări sonore și să traducem aceste reprezentări în materiale noi.

Numim abordarea exploatării materialelor în moduri neconvenționale pentru a forma baza pentru sunet și muzică ”materiomuzic”- împingerea granițelor majorității generației muzicale dincolo de corzi vibrante. Și dincolo de sunetele complet sintetice ale metodelor de sinteză. Mai degrabă, să folosească chimia cuantică și principiile fizice reale ca bază pentru formarea pânzei compoziției muzicale.

Proiectarea de noi materiale este o provocare esențială în dezvoltarea tehnologiilor durabile - gândiți-vă la materiale mai ușoare, mai robuste și mai rezistente. Sau materiale inteligente care acționează ca senzori. Putem, de asemenea, să conștientizăm polii opuși ai frumuseții, vieții și morții și să înțelegem conceptul de înșelăciune, deoarece se află la baza naturii tiparului de infecție și răspândire a virusului. Și sperăm că putem învăța mulți oameni din întreaga lume despre proteine - acestea sunt baza materială pentru toată viața și merită înțeleasă!

De asemenea, vă puteți gândi la muzică ca la o reflectare algoritmică a structurii. Variațiile Goldberg ale lui Bach, de exemplu, sunt o realizare strălucită a contrapunctului, un principiu pe care l-am găsit și în proteine. Acum putem auzi acest concept pe măsură ce natura l-a compus și îl putem compara cu ideile din imaginația noastră sau putem folosi AI pentru a vorbi limbajul proiectării proteinelor și a-l lăsa să își imagineze noi structuri. Credem că analiza sunetului și a muzicii ne poate ajuta să înțelegem mai bine lumea materială. Expresia artistică este, la urma urmei, doar un model al lumii din noi și din jurul nostru.

Deci, există multe lucruri de învățat, de la sănătatea umană la biologie și abordarea provocărilor mărețe.

2020 este Anul internațional al sunetului, o inițiativă globală pentru a evidenția importanța științelor și tehnologiilor solide și conexe pentru toți în societate. Anul internațional al sunetului va consta în activități coordonate la nivel regional, național și internațional. Aceste activități vor avea ca scop stimularea înțelegerii în întreaga lume a rolului important pe care sunetul îl joacă în toate aspectele societății noastre. De asemenea, aceste activități vor încuraja, de asemenea, înțelegerea necesității controlului zgomotului în natură, în mediul construit și la locul de muncă.

ISC, împreună cu Uniunea Internațională de Fizică Aplicată, IUPAP și Uniunea Internațională de Matematică Teoretică și Aplicată, IUTAM suntem mândri că susțin Anul internațional al sunetului.

Fotografie de James Owen on Unsplash