Zvuk nauke – virus SARS-CoV-2 kao djelo klasične muzike

Kako bismo obilježili 2020. kao Međunarodnu godinu zvuka, mislili smo da bi bilo lijepo završiti sedmicu uz zvuke nauke. ISC je razgovarao sa Markus J. Buehler koji je pretvorio proteine ​​iz virusa SARS-CoV-2 u muziku.

Koji je proces stvaranja zvuka za virus SARS-CoV-2?

Proteini su osnovni gradivni element života, uključujući viruse. Napravljene su od 20 aminokiselina, od kojih je svaka kodirana DNK sekvencama. Dakle, proteini su materijalizacija DNK jezika. A proteini odražavaju prirodni jezik koji još ne znamo da govorimo.

Međutim, ovaj jezik možemo čuti izračunavanjem frekvencija vibracija molekula koji čine proteine. Svaki vibrira, zbog temperature, na jedinstvenom spektru i kao dobro definisan zvuk (pogledajte naš ACS Nano papir za 2019.). Možemo koristiti ove osnovne tonove, formirajući novu vrstu muzičke ljestvice, ljestvice aminokiselina, da definiramo sekvence u zvuku. Ritmovi se koriste za izražavanje lokalnih struktura, a elementi višeg reda poput preklapanja su izraženi u složenijim hijerarhijskim karakteristikama muzičke kompozicije – kao što su melodije koje se preklapaju, svirani akordi i drugi. Muzika se može posmatrati kao prevod različitih vibracionih obrazaca proteinske strukture u audio signal koji možete čuti i iskoristiti za dalju analizu.

U stvari, protein virusa COVID-19 sadrži tri proteinska lanca presavijena u intrigantan obrazac. Ove strukture su premale da ih oko vidi, ali se mogu čuti! Predstavili smo fizičku proteinsku strukturu, sa svojim isprepletenim lancima, kao isprepletene melodije koje čine višeslojnu kompoziciju. Dakle, rezultujući komad je oblik kontrapunktske muzike, u kojoj se note sviraju uz note. Poput simfonije, muzički obrasci odražavaju ukrštanje geometrije proteina ostvarenu materijalizacijom njegovog DNK koda.

Da li rezultat koji ste proizveli utiče na to kako naučnici mogu pronaći rješenje za razvoj vakcine?

Na duži rok, da. Prevođenje proteina u zvuk daje naučnicima još jedan alat za razumijevanje i dizajniranje proteina. Čak i mala mutacija može ograničiti ili povećati patogenu moć SARS-CoV-2. Kroz sonifikaciju, također možemo uporediti biohemijske procese njegovog šiljastog proteina s prethodnim koronavirusima, poput SARS-a ili MERS. 

U muzici koju smo kreirali, analizirali smo vibracionu strukturu proteina šiljaka koji inficira domaćina. Razumijevanje ovih vibracijskih obrazaca je ključno za dizajn lijekova i još mnogo toga. Vibracije se, na primjer, mogu promijeniti kako se temperature zagrijavaju, a mogu nam reći i zašto šiljak SARS-CoV-2 gravitira prema ljudskim stanicama više od drugih virusa. Istražujemo ova pitanja u trenutnom, tekućem istraživanju sa mojim diplomiranim studentima. Također bismo mogli koristiti kompozicioni pristup za dizajniranje lijekova za napad na virus. Mogli bismo tražiti novi protein koji odgovara melodiji i ritmu antitijela sposobnog da se veže za protein šiljaka, ometajući njegovu sposobnost inficiranja.

Ovo je Međunarodna godina zvuka. Šta nas zvuk može naučiti o pronalaženju rješenja za globalne izazove s kojima se čovječanstvo suočava?

Naš mozak odlično obrađuje zvuk! U jednom potezu, naše uši prepoznaju sve njegove hijerarhijske karakteristike: visinu, tembar, jačinu zvuka, melodiju, ritam i akorde. Trebao bi nam mikroskop velike snage da bismo vidjeli ekvivalentne detalje na slici, a nikada ne bismo mogli vidjeti sve odjednom. Zvuk je tako elegantan način pristupa informacijama pohranjenim u proteinu. 

Tipično, zvuk se proizvodi od vibrirajućeg materijala, poput žice gitare, a muzika se stvara poređanjem zvukova u hijerarhijskim obrascima. Sa AI možemo kombinovati ove koncepte i koristiti molekularne vibracije i neuronske mreže za konstruisanje novih muzičkih oblika. Radili smo na metodama za pretvaranje proteinskih struktura u zvučne reprezentacije i prevođenje ovih reprezentacija u nove materijale. 

Mi nazivamo pristup eksploataciji materijala na nekonvencionalne načine kako bi se formirala osnova za zvuk i muziku “materiomusic” – pomicanje granica većine muzičkih generacija izvan vibrirajućih žica. I dalje od potpuno sintetičkih zvukova metoda sinteze. Radije, koristiti kvantnu hemiju i stvarne fizičke principe kao osnovu za formiranje platna muzičke kompozicije.

Dizajn novih materijala je bitan izazov u razvoju održivih tehnologija – razmislite o lakšim, robusnijim i otpornijim materijalima. Ili pametni materijali koji djeluju kao senzori. Također možemo stvoriti svijest o suprotstavljenim polovima ljepote, života i smrti, i razumjeti koncept prevare jer je on u osnovi prirode obrasca infekcije i širenja virusa. I nadamo se da možemo naučiti mnoge ljude širom svijeta o proteinima – oni su materijalna osnova cijelog života i vrijedni razumijevanja!

Takođe možete razmišljati o muzici kao o algoritamskom odrazu strukture. Bachove Goldberg varijacije, na primjer, su briljantna realizacija kontrapunkta, principa koji smo također pronašli u proteinima. Sada možemo čuti ovaj koncept onako kako ga je priroda sastavila, i uporediti ga sa idejama u našoj mašti, ili koristiti AI da progovorimo jezikom dizajna proteina i pustimo ga da zamisli nove strukture. Vjerujemo da nam analiza zvuka i muzike može pomoći da bolje razumijemo materijalni svijet. Umjetnički izraz je ipak samo model svijeta u nama i oko nas. 

Dakle, ima puno toga za naučiti, od ljudskog zdravlja, preko biologije, do rješavanja velikih izazova.

2020 je Međunarodna godina zvuka, globalna inicijativa da se istakne važnost zdravih i srodnih nauka i tehnologija za sve u društvu. Međunarodna godina zvuka će se sastojati od koordinisanih aktivnosti na regionalnom, nacionalnom i međunarodnom nivou. Ove aktivnosti će imati za cilj da potaknu razumijevanje u cijelom svijetu važne uloge koju zvuk igra u svim aspektima našeg društva. Takođe, ove aktivnosti će potaknuti i razumijevanje potrebe za kontrolom buke u prirodi, u izgrađenom okruženju i na radnom mjestu.

ISC, zajedno sa Međunarodnom unijom primijenjene fizike, IUPAP i Međunarodne unije teorijske i primijenjene matematike, IUTAM s ponosom podržavamo Međunarodnu godinu zvuka.

Photo by James Owen on Unsplash