Ο ήχος της επιστήμης – ο ιός SARS-CoV-2 ως κομμάτι κλασικής μουσικής

Για να τιμήσουμε το 2020 ως το Διεθνές Έτος Ήχου, σκεφτήκαμε ότι θα ήταν ωραίο να τελειώσουμε την εβδομάδα με τους ήχους της επιστήμης. Το ISC μίλησε με Markus J. Buehler που έχει μετατρέψει τις πρωτεΐνες από τον ιό SARS-CoV-2 σε μουσική.

Ποια είναι η διαδικασία δημιουργίας ήχου για τον ιό SARS-CoV-2?

Οι πρωτεΐνες είναι το βασικό δομικό στοιχείο της ζωής, συμπεριλαμβανομένων των ιών. Κατασκευάζονται από 20 αμινοξέα, το καθένα κωδικοποιημένο από αλληλουχίες DNA. Έτσι, οι πρωτεΐνες είναι μια υλοποίηση της γλώσσας του DNA. Και οι πρωτεΐνες αντικατοπτρίζουν μια φυσική γλώσσα που δεν ξέρουμε ακόμη πώς να μιλήσουμε.

Ωστόσο, μπορούμε να ακούσουμε αυτή τη γλώσσα υπολογίζοντας τις συχνότητες δόνησης των μορίων που αποτελούν τις πρωτεΐνες. Καθένα δονείται, λόγω θερμοκρασίας, σε ένα μοναδικό φάσμα και ως καλά καθορισμένο ήχο (δείτε το χαρτί Nano ACS 2019). Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε αυτούς τους βασικούς τόνους, σχηματίζοντας έναν νέο τύπο μουσικής κλίμακας, την κλίμακα αμινοξέων, για να ορίσουμε ακολουθίες στον ήχο. Οι ρυθμοί χρησιμοποιούνται για να εκφράσουν τοπικές δομές και στοιχεία υψηλότερης τάξης, όπως το δίπλωμα, εκφράζονται σε πιο σύνθετα ιεραρχικά χαρακτηριστικά της μουσικής σύνθεσης – όπως επικαλυπτόμενες μελωδίες, χορδές και άλλα. Η μουσική μπορεί να θεωρηθεί ως μετάφραση των διαφόρων μοτίβων δόνησης της δομής της πρωτεΐνης σε ένα ηχητικό σήμα που μπορείτε να ακούσετε και να εκμεταλλευτείτε για περαιτέρω ανάλυση.

Στην πραγματικότητα, η πρωτεΐνη ακτίνων του ιού COVID-19 περιέχει τρεις πρωτεϊνικές αλυσίδες διπλωμένες σε ένα ενδιαφέρον μοτίβο. Αυτές οι δομές είναι πολύ μικρές για να τις δει το μάτι, αλλά ακούγονται! Αντιπροσωπεύσαμε τη δομή της φυσικής πρωτεΐνης, με τις μπλεγμένες αλυσίδες της, ως συνυφασμένες μελωδίες που σχηματίζουν μια πολυεπίπεδη σύνθεση. Ως εκ τούτου, το κομμάτι που προκύπτει είναι μια μορφή μουσικής αντίστιξης, στην οποία οι νότες παίζονται ενάντια στις νότες. Όπως μια συμφωνία, τα μουσικά μοτίβα αντικατοπτρίζουν την τεμνόμενη γεωμετρία της πρωτεΐνης που πραγματοποιείται με την υλοποίηση του κώδικα DNA της.

Η βαθμολογία που δημιουργήσατε επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο οι επιστήμονες μπορούν να βρουν μια λύση για την ανάπτυξη ενός εμβολίου;

Μακροπρόθεσμα, ναι. Η μετάφραση των πρωτεϊνών σε ήχο δίνει στους επιστήμονες ένα άλλο εργαλείο για να κατανοήσουν και να σχεδιάσουν τις πρωτεΐνες. Ακόμη και μια μικρή μετάλλαξη μπορεί να περιορίσει ή να ενισχύσει την παθογόνο δύναμη του SARS-CoV-2. Μέσω της ηχοποίησης, μπορούμε επίσης να συγκρίνουμε τις βιοχημικές διεργασίες της πρωτεΐνης της ακίδας με προηγούμενους κοροναϊούς, όπως το SARS ή MERS. 

Στη μουσική που δημιουργήσαμε, αναλύσαμε τη δονητική δομή της πρωτεΐνης ακίδας που μολύνει τον ξενιστή. Η κατανόηση αυτών των μοτίβων δόνησης είναι κρίσιμη για το σχεδιασμό φαρμάκων και πολλά άλλα. Οι κραδασμοί μπορεί να αλλάζουν καθώς οι θερμοκρασίες ανεβαίνουν, για παράδειγμα, και μπορεί επίσης να μας πουν γιατί η ακίδα SARS-CoV-2 έλκει προς τα ανθρώπινα κύτταρα περισσότερο από άλλους ιούς. Εξερευνούμε αυτά τα ερωτήματα στην τρέχουσα, συνεχή έρευνα με τους μεταπτυχιακούς φοιτητές μου. Θα μπορούσαμε επίσης να χρησιμοποιήσουμε μια προσέγγιση σύνθεσης για να σχεδιάσουμε φάρμακα για την επίθεση στον ιό. Θα μπορούσαμε να ψάξουμε για μια νέα πρωτεΐνη που ταιριάζει με τη μελωδία και το ρυθμό ενός αντισώματος ικανού να δεσμευτεί στην πρωτεΐνη ακίδας, παρεμποδίζοντας την ικανότητά του να μολύνει.

Είναι το Διεθνές Έτος Ήχου. Τι μπορεί να μας διδάξει ο ήχος σχετικά με την εύρεση λύσεων στις παγκόσμιες προκλήσεις που αντιμετωπίζει η ανθρωπότητα;

Ο εγκέφαλός μας είναι υπέροχος στην επεξεργασία του ήχου! Με ένα σκούπισμα, τα αυτιά μας αντιλαμβάνονται όλα τα ιεραρχικά χαρακτηριστικά του: ύψος, ηχόχρωμα, ένταση, μελωδία, ρυθμό και συγχορδίες. Θα χρειαζόμασταν ένα μικροσκόπιο υψηλής ισχύος για να δούμε την αντίστοιχη λεπτομέρεια σε μια εικόνα και δεν θα μπορούσαμε ποτέ να τα δούμε όλα ταυτόχρονα. Ο ήχος είναι ένας τόσο κομψός τρόπος πρόσβασης στις πληροφορίες που είναι αποθηκευμένες σε μια πρωτεΐνη. 

Συνήθως, ο ήχος δημιουργείται από τη δόνηση ενός υλικού, όπως μια χορδή κιθάρας, και η μουσική παράγεται με τη διάταξη των ήχων σε ιεραρχικά μοτίβα. Με την τεχνητή νοημοσύνη μπορούμε να συνδυάσουμε αυτές τις έννοιες και να χρησιμοποιήσουμε μοριακούς κραδασμούς και νευρωνικά δίκτυα για την κατασκευή νέων μουσικών μορφών. Εργαζόμαστε πάνω σε μεθόδους για να μετατρέψουμε τις πρωτεϊνικές δομές σε ηχητικές αναπαραστάσεις και να μεταφράσουμε αυτές τις αναπαραστάσεις σε νέα υλικά. 

Ονομάζουμε την προσέγγιση για την εκμετάλλευση υλικών με μη συμβατικούς τρόπους για να αποτελέσει τη βάση για τον ήχο και τη μουσική "mateiomusic” – ωθώντας τα όρια των περισσότερων μουσικών γενιών πέρα ​​από τις δονούμενες χορδές. Και πέρα ​​από τους εντελώς συνθετικούς ήχους των μεθόδων σύνθεσης. Αντίθετα, να χρησιμοποιήσουμε την κβαντική χημεία και τις πραγματικές φυσικές αρχές ως βάση για τη διαμόρφωση του καμβά της μουσικής σύνθεσης.

Ο σχεδιασμός νέων υλικών είναι μια ουσιαστική πρόκληση για την ανάπτυξη βιώσιμων τεχνολογιών – σκεφτείτε ελαφρύτερα, πιο στιβαρά, πιο ανθεκτικά υλικά. Ή έξυπνα υλικά που λειτουργούν ως αισθητήρες. Μπορούμε επίσης να ευαισθητοποιήσουμε τους αντιτιθέμενους πόλους ομορφιάς, ζωής και θανάτου και να κατανοήσουμε την έννοια του εξαπάτησης καθώς βρίσκεται στον πυρήνα της φύσης του προτύπου μόλυνσης και εξάπλωσης του ιού. Και ελπίζουμε ότι μπορούμε να διδάξουμε σε πολλούς ανθρώπους σε όλο τον κόσμο τις πρωτεΐνες – αποτελούν την υλική βάση για όλη τη ζωή και αξίζει να τις κατανοήσουμε!

Μπορείτε επίσης να σκεφτείτε τη μουσική ως μια αλγοριθμική αντανάκλαση της δομής. Οι Παραλλαγές Goldberg του Bach, για παράδειγμα, είναι μια λαμπρή υλοποίηση της αντίστιξης, μια αρχή που έχουμε επίσης βρει στις πρωτεΐνες. Μπορούμε τώρα να ακούσουμε αυτήν την ιδέα καθώς τη συνέθεσε η φύση και να τη συγκρίνουμε με ιδέες της φαντασίας μας ή να χρησιμοποιήσουμε την τεχνητή νοημοσύνη για να μιλήσουμε τη γλώσσα του σχεδιασμού πρωτεΐνης και να την αφήσουμε να φανταστεί νέες δομές. Πιστεύουμε ότι η ανάλυση του ήχου και της μουσικής μπορεί να μας βοηθήσει να κατανοήσουμε καλύτερα τον υλικό κόσμο. Η καλλιτεχνική έκφραση είναι τελικά απλώς ένα μοντέλο του κόσμου μέσα μας και γύρω μας. 

Έτσι, υπάρχουν πολλά να μάθουμε, από την ανθρώπινη υγεία, τη βιολογία και την αντιμετώπιση μεγάλων προκλήσεων.

2020 είναι η Διεθνές Έτος Ήχου, μια παγκόσμια πρωτοβουλία για την ανάδειξη της σημασίας των υγιών και συναφών επιστημών και τεχνολογιών για όλους στην κοινωνία. Το International Year of Sound θα αποτελείται από συντονισμένες δραστηριότητες σε περιφερειακό, εθνικό και διεθνές επίπεδο. Αυτές οι δραστηριότητες θα έχουν ως στόχο να τονώσουν την κατανόηση σε όλο τον κόσμο του σημαντικού ρόλου που παίζει ο ήχος σε όλες τις πτυχές της κοινωνίας μας. Επίσης, αυτές οι δραστηριότητες θα ενθαρρύνουν επίσης την κατανόηση της ανάγκης για έλεγχο του θορύβου στη φύση, στο δομημένο περιβάλλον και στο χώρο εργασίας.

Το ISC, μαζί με τη Διεθνή Ένωση Εφαρμοσμένης Φυσικής, IUPAP και της Διεθνούς Ένωσης Θεωρητικών και Εφαρμοσμένων Μαθηματικών, IUTAM είναι περήφανοι που υποστηρίζουν το Διεθνές Έτος Ήχου.

Φωτογραφία Τζέιμς Όουεν on Unsplash