Звук науки - вірус SARS-CoV-2 як твір класичної музики

Щоб відзначити 2020 рік як Міжнародний рік звуку, ми подумали, що було б добре завершити тиждень звуками науки. ISC спілкувався з Маркус Дж. Бюлер який перетворив білки вірусу SARS-CoV-2 у музику.

? «Музика як алгоритмічне відображення структури»

Ми розмовляли з @ProfBuehlerMIT, @MIT_CEE, про процес перетворення вірусу SARS-CoV-2 у музику та роль звуку у пошуку рішень глобальних проблем:https://t.co/RoyinhWnY2 #IYOS2020 @IUPAP_physics pic.twitter.com/GgDicGY3xZ
- Міжнародна наукова рада (@ISC) Квітень 19, 2020

Який процес створення звуку для вірусу SARS-CoV-2?

Білки є основним будівельним матеріалом життя, включаючи віруси. Вони складаються з 20 амінокислот, кожна з яких кодується послідовностями ДНК. Отже, білки є матеріалізацією мови ДНК. А білки відображають природну мову, якою ми ще не вміємо говорити.

Проте ми можемо почути цю мову, обчисливши частоти коливань молекул, що входять до складу білків. Кожна з них вібрує через температуру з унікальним спектром і у вигляді чітко визначеного звуку (див. наш документ ACS Nano 2019). Ми можемо використовувати ці основні тони, утворюючи новий тип музичної гами, амінокислотну гамму, щоб визначити послідовності звуку. Ритми використовуються для вираження локальних структур, а елементи вищого порядку, такі як згортання, виражаються в складніших ієрархічних особливостях музичної композиції – таких як перекриваються мелодії, грані акорди тощо. Музику можна розглядати як переклад різних вібраційних моделей білкової структури в звуковий сигнал, який можна почути та використати для подальшого аналізу.

Фактично, білок спиці вірусу COVID-19 містить три білкові ланцюги, згорнуті в інтригуючу схему. Ці структури занадто малі, щоб їх око бачило, але їх можна почути! Ми представили фізичну білкову структуру з її заплутаними ланцюжками як переплетені мелодії, що утворюють багатошарову композицію. Отже, отриманий твір є формою музики контрапункту, в якій ноти грають проти нот. Подібно симфонії, музичні паттерни відображають перетинну геометрію білка, реалізовану шляхом матеріалізації його коду ДНК.

Чи впливає отримана вами оцінка на те, як вчені можуть знайти рішення для розробки вакцини?

У довгостроковій перспективі, так. Переклад білків у звук дає вченим ще один інструмент для розуміння та розробки білків. Навіть невелика мутація може обмежити або посилити патогенну силу SARS-CoV-2. За допомогою ультразвукової обробки ми також можемо порівняти біохімічні процеси його білка-шипа з попередніми коронавірусами, такими як SARS або MERS.

У створеній нами музиці ми проаналізували вібраційну структуру білка-шипа, який заражає господаря. Розуміння цих вібраційних моделей має вирішальне значення для розробки ліків та багато іншого. Наприклад, вібрації можуть змінюватися в міру підвищення температури, і вони також можуть розповісти нам, чому спайк SARS-CoV-2 тяжіє до клітин людини більше, ніж інші віруси. Ми досліджуємо ці питання в поточному, поточному дослідженні з моїми аспірантами. Ми також можемо використовувати композиційний підхід до розробки ліків для боротьби з вірусом. Ми могли б шукати новий білок, який відповідав би мелодії та ритму антитіла, здатного зв’язуватися з білком спайка, заважаючи його здатності заражати.

Це Міжнародний рік звуку. Чого звук може навчити нас щодо пошуку рішень глобальних проблем, з якими стикається людство?

Наш мозок чудово обробляє звук! За один мах наше вухо вловлює всі його ієрархічні особливості: висоту, тембр, гучність, мелодію, ритм і акорди. Нам потрібен потужний мікроскоп, щоб побачити еквівалентні деталі зображення, і ми ніколи не зможемо побачити все відразу. Звук — це такий елегантний спосіб отримати доступ до інформації, що зберігається в білку.

Як правило, звук створюється з вібруючого матеріалу, наприклад гітарної струни, а музика створюється шляхом розташування звуків за ієрархічними шаблонами. За допомогою ШІ ми можемо об’єднати ці поняття та використовувати молекулярні вібрації та нейронні мережі для створення нових музичних форм. Ми працювали над методами перетворення білкових структур у звукові уявлення та перекладу цих уявлень на нові матеріали.

Ми називаємо підхід до використання матеріалів нетрадиційними способами для формування основи для звуку та музики "матеріомузика” – розсуваючи межі більшості музичних поколінь за межі вібруючих струн. І за межі цілком синтетичних звуків методів синтезу. Скоріше використовувати квантову хімію та реальні фізичні принципи як основу для формування полотна музичної композиції.

Розробка нових матеріалів є важливою проблемою в розробці екологічних технологій – подумайте про легші, міцніші та стійкіші матеріали. Або розумні матеріали, які діють як датчики. Ми також можемо привернути увагу до протилежних полюсів краси, життя і смерті та зрозуміти концепцію обману, оскільки вона лежить в основі характеру зараження та поширення вірусу. І ми можемо навчити багатьох людей у всьому світі про білки – вони є матеріальною основою всього життя і варті розуміння!

Ви також можете думати про музику як про алгоритмічне відображення структури. Наприклад, варіації Гольдберга Баха — це блискуча реалізація контрапункту, принцип, який ми також знайшли в білках. Тепер ми можемо почути цю концепцію так, як її створила природа, і порівняти її з ідеями в нашій уяві, або використовувати ШІ, щоб говорити мовою білкового дизайну і дозволити йому уявити нові структури. Ми віримо, що аналіз звуку та музики може допомогти нам краще зрозуміти матеріальний світ. Зрештою, художнє вираження – це лише модель світу всередині нас і навколо нас.

Отже, є чому навчитися, починаючи від здоров’я людини і закінчуючи біологією, і закінчуючи вирішенням великих проблем.

2020 є Міжнародний рік звуку, глобальна ініціатива, щоб підкреслити важливість здорових та суміжних наук і технологій для всіх у суспільстві. Міжнародний рік звуку складатиметься із скоординованих заходів на регіональному, національному та міжнародному рівнях. Ці заходи будуть спрямовані на стимулювання розуміння в усьому світі важливої ролі, яку грає звук у всіх аспектах нашого суспільства. Крім того, ці заходи також сприятимуть усвідомленню необхідності контролю шуму в природі, у забудованому середовищі та на робочому місці.

ISC разом з Міжнародним союзом прикладної фізики, IUPAP та Міжнародний союз теоретичної та прикладної математики, IUTAM з гордістю підтримуємо Міжнародний рік звуку.

Фото Джеймс Оуен on Unsplash