Звучание науки — вирус SARS-CoV-2 как произведение классической музыки

Чтобы отметить 2020 год как Международный год звука, мы подумали, что было бы неплохо завершить неделю звуками науки. ISC поговорил с Маркус Дж. Бюлер который преобразовал белки вируса SARS-CoV-2 в музыку.

? «Музыка как алгоритмическое отражение структуры»

Мы говорили с @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, о процессе преобразования вируса SARS-CoV-2 в музыку и роли звука в поиске решений глобальных проблем:https://t.co/RoyinhWnY2 #ИОС2020 @IUPAP_физика pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
- Международный научный совет (@ISC) 19 апреля 2020

Как происходит процесс создания звука для вируса SARS-CoV-2?

Белки являются основным строительным материалом жизни, включая вирусы. Они состоят из 20 аминокислот, каждая из которых кодируется последовательностями ДНК. Итак, белки — это материализация языка ДНК. А белки отражают естественный язык, на котором мы еще не умеем говорить.

Однако мы можем услышать этот язык, рассчитав частоты колебаний молекул, составляющих белки. Каждый из них вибрирует в зависимости от температуры с уникальным спектром и четко определенным звуком (см. нашу статью ACS Nano за 2019 год). Мы можем использовать эти основные тона, формируя новый тип музыкальной гаммы, аминокислотную гамму, для определения звуковых последовательностей. Ритмы используются для выражения локальных структур, а элементы более высокого порядка, такие как складки, выражаются в более сложных иерархических особенностях музыкальной композиции, таких как перекрывающиеся мелодии, играемые аккорды и другие. Музыку можно рассматривать как перевод различных колебательных моделей белковой структуры в звуковой сигнал, который вы можете услышать и использовать для дальнейшего анализа.

Фактически, белок спицы вируса COVID-19 содержит три белковые цепи, свернутые в интригующую структуру. Эти структуры слишком малы, чтобы их можно было увидеть глазом, но их можно услышать! Мы представили физическую белковую структуру с ее запутанными цепочками как переплетающиеся мелодии, образующие многослойную композицию. Следовательно, получившееся произведение представляет собой форму музыки контрапункта, в которой ноты играются против нот. Подобно симфонии, музыкальные паттерны отражают пересекающуюся геометрию белка, реализованную путем материализации кода его ДНК.

Влияет ли полученная вами оценка на то, как ученые могут найти решение для разработки вакцины?

В долгосрочной перспективе да. Преобразование белков в звук дает ученым еще один инструмент для понимания и создания белков. Даже небольшая мутация может ограничить или усилить патогенную силу SARS-CoV-2. С помощью ультразвука мы также можем сравнить биохимические процессы его спайкового белка с предыдущими коронавирусами, такими как SARS или МЕРС.

В созданной нами музыке мы проанализировали колебательную структуру спайкового белка, заражающего хозяина. Понимание этих вибрационных паттернов имеет решающее значение для разработки лекарств и многого другого. Вибрации могут меняться, например, при повышении температуры, и они также могут рассказать нам, почему всплеск SARS-CoV-2 тяготеет к человеческим клеткам больше, чем к другим вирусам. Мы изучаем эти вопросы в текущем, продолжающемся исследовании с моими аспирантами. Мы также можем использовать композиционный подход для разработки лекарств для борьбы с вирусом. Мы могли бы искать новый белок, который соответствует мелодии и ритму антитела, способного связываться с шиповидным белком, препятствуя его способности заражать.

Это Международный год звука. Чему звук может научить нас в поиске решений глобальных проблем, стоящих перед человечеством?

Наш мозг великолепен в обработке звука! В одно мгновение наши уши воспринимают все его иерархические особенности: высоту звука, тембр, громкость, мелодию, ритм и аккорды. Нам понадобится мощный микроскоп, чтобы увидеть эквивалентные детали на изображении, и мы никогда не увидим все сразу. Звук - это такой элегантный способ доступа к информации, хранящейся в белке.

Как правило, звук создается из вибрирующего материала, например гитарной струны, а музыка создается путем упорядочения звуков в иерархических структурах. С ИИ мы можем объединить эти концепции и использовать молекулярные вибрации и нейронные сети для создания новых музыкальных форм. Мы работали над методами превращения белковых структур в слышимые представления и перевода этих представлений в новые материалы.

Мы называем подход к использованию материалов нетрадиционными способами для создания основы для звука и музыки».материалмузыка” – раздвигая границы большинства музыкальных поколений за пределы вибрирующих струн. И помимо полностью синтетических звуков методов синтеза. Скорее использовать квантовую химию и реальные физические принципы как основу для формирования полотна музыкальной композиции.

Разработка новых материалов является важной задачей при разработке устойчивых технологий — подумайте о более легких, прочных и эластичных материалах. Или умные материалы, которые действуют как сенсоры. Мы также можем привлечь внимание к противоположным полюсам красоты, жизни и смерти и понять концепцию обмана, поскольку она лежит в основе природы схемы заражения и распространения вируса. И мы надеемся, что сможем научить многих людей во всем мире белкам — они являются материальной основой всей жизни и заслуживают понимания!

Вы также можете думать о музыке как об алгоритмическом отражении структуры. Вариации Гольдберга Баха, например, являются блестящей реализацией контрапункта, принципа, который мы также обнаружили в белках. Теперь мы можем услышать эту концепцию в том виде, в каком она была создана природой, и сравнить ее с идеями в нашем воображении или использовать ИИ, чтобы говорить на языке дизайна белков и позволить ему придумывать новые структуры. Мы верим, что анализ звука и музыки может помочь нам лучше понять материальный мир. Художественное выражение — это ведь всего лишь модель мира внутри нас и вокруг нас.

Таким образом, есть чему поучиться, начиная от здоровья человека и заканчивая биологией и решением серьезных проблем.

2020 является Международный год звука, глобальная инициатива, направленная на то, чтобы подчеркнуть важность надежных и связанных с ними наук и технологий для всех в обществе. Международный год звука будет состоять из скоординированных мероприятий на региональном, национальном и международном уровнях. Эти мероприятия будут направлены на то, чтобы стимулировать понимание во всем мире той важной роли, которую звук играет во всех аспектах жизни нашего общества. Кроме того, эти мероприятия также будут способствовать пониманию необходимости контроля шума в природе, в искусственной среде и на рабочем месте.

ISC вместе с Международным союзом прикладной физики ИУПАП и Международный союз теоретической и прикладной математики, ИУТАМ рады поддержать Международный год звука.

Фото Джеймс Оуэн on Unsplash