Zvuk vědy – virus SARS-CoV-2 jako skladba klasické hudby

Abychom si rok 2020 připomněli jako Mezinárodní rok zvuku, řekli jsme si, že by mohlo být hezké zakončit týden se zvuky vědy. ISC mluvil s Markus J. Buehler který převedl proteiny z viru SARS-CoV-2 do hudby.

Jaký je proces vytváření zvuku pro virus SARS-CoV-2?

Bílkoviny jsou základním stavebním kamenem života, včetně virů. Jsou vyrobeny z 20 aminokyselin, z nichž každá je kódována sekvencemi DNA. Takže proteiny jsou materializací jazyka DNA. A proteiny odrážejí přirozený jazyk, kterým ještě neumíme mluvit.

Tento jazyk však můžeme slyšet výpočtem vibračních frekvencí molekul tvořících proteiny. Každý vibruje v důsledku teploty v jedinečném spektru a jako dobře definovaný zvuk (viz náš dokument ACS Nano 2019). Tyto základní tóny, tvořící nový typ hudební stupnice, aminokyselinovou stupnici, můžeme použít k definování zvukových sekvencí. Rytmy se používají k vyjádření lokálních struktur a prvky vyššího řádu, jako je skládání, jsou vyjádřeny ve složitějších hierarchických rysech hudební kompozice – jako jsou překrývající se melodie, vybrnkávané akordy a další. Hudbu lze vnímat jako překlad různých vibračních vzorců proteinové struktury do zvukového signálu, který můžete slyšet a využít pro další analýzu.

Ve skutečnosti obsahuje protein paprsků viru COVID-19 tři proteinové řetězce složené do zajímavého vzoru. Tyto struktury jsou příliš malé na to, aby je oko vidělo, ale lze je slyšet! Znázornili jsme fyzickou proteinovou strukturu s jejími propletenými řetězci jako propletené melodie, které tvoří vícevrstvou kompozici. Výsledný kus je tedy formou kontrapunktické hudby, ve které se noty hrají proti notám. Jako symfonie, hudební vzory odrážejí protínající se geometrii proteinu realizovanou materializací jeho DNA kódu.

Má vaše skóre vliv na to, jak mohou vědci najít řešení pro vývoj vakcíny?

Z dlouhodobějšího hlediska ano. Překlad proteinů do zvuku dává vědcům další nástroj k pochopení a návrhu proteinů. I malá mutace může omezit nebo zvýšit patogenní sílu SARS-CoV-2. Prostřednictvím sonifikace můžeme také porovnat biochemické procesy jeho spike proteinu s předchozími koronaviry, jako je SARS nebo MERS. 

V hudbě, kterou jsme vytvořili, jsme analyzovali vibrační strukturu spike proteinu, který infikuje hostitele. Pochopení těchto vibračních vzorců je rozhodující pro návrh léků a mnohem více. Vibrace se mohou měnit například s oteplováním teplot a mohou nám také říci, proč špička SARS-CoV-2 tíhne k lidským buňkám více než jiné viry. Tyto otázky zkoumáme v současném, probíhajícím výzkumu s mými postgraduálními studenty. Můžeme také použít kompoziční přístup k navrhování léků k napadení viru. Mohli bychom hledat nový protein, který by odpovídal melodii a rytmu protilátky schopné vázat se na spike protein a interferovat s jeho schopností infikovat.

Je Mezinárodní rok zvuku. Co nás může zvuk naučit o hledání řešení globálních výzev, kterým lidstvo čelí?

Náš mozek umí skvěle zpracovávat zvuk! Jedním pohybem naše uši zachytí všechny jeho hierarchické rysy: výšku, barvu, hlasitost, melodii, rytmus a akordy. Potřebovali bychom vysoce výkonný mikroskop, abychom viděli ekvivalentní detaily na obrázku, a nikdy bychom to nemohli vidět všechny najednou. Zvuk je tak elegantní způsob, jak získat přístup k informacím uloženým v proteinu. 

Zvuk je obvykle tvořen vibrováním materiálu, jako je kytarová struna, a hudba je tvořena uspořádáním zvuků do hierarchických vzorů. S umělou inteligencí můžeme tyto koncepty kombinovat a využívat molekulární vibrace a neuronové sítě ke konstrukci nových hudebních forem. Pracovali jsme na metodách, jak přeměnit proteinové struktury na slyšitelné reprezentace a převést tyto reprezentace do nových materiálů. 

Přístup k využívání materiálů nekonvenčními způsoby k vytvoření základu pro zvuk a hudbu nazýváme “materiální hudba“ – posouvá hranice většiny hudebních generací za vibrující struny. A mimo zcela syntetické zvuky metod syntézy. Spíše použít kvantovou chemii a reálné fyzikální principy jako základ pro formování plátna hudební kompozice.

Návrh nových materiálů je zásadní výzvou při vývoji udržitelných technologií – myslete na lehčí, robustnější a odolnější materiály. Nebo chytré materiály, které fungují jako senzory. Můžeme také vytvořit povědomí o protikladných pólech krásy, života a smrti a porozumět konceptu klamu, protože je jádrem povahy virové infekce a šíření. A doufejme, že můžeme naučit mnoho lidí po celém světě o proteinech – jsou materiálním základem veškerého života a stojí za pochopení!

Hudbu si také můžete představit jako algoritmický odraz struktury. Například Bachovy Goldbergovy variace jsou brilantní realizací kontrapunktu, principu, který jsme také našli v proteinech. Nyní můžeme tento koncept slyšet, jak jej příroda složila, a porovnat jej s představami v naší představivosti, nebo použít AI k tomu, abychom promluvili jazykem proteinového designu a nechali jej představit si nové struktury. Věříme, že analýza zvuku a hudby nám může pomoci lépe porozumět hmotnému světu. Umělecký projev je přece jen model světa v nás a kolem nás. 

Máme se tedy hodně co učit, od lidského zdraví přes biologii až po řešení velkých výzev.

2020 je Mezinárodní rok zvuku, globální iniciativa ke zdůraznění významu zdravých a souvisejících věd a technologií pro všechny ve společnosti. Mezinárodní rok zvuku se bude skládat z koordinovaných aktivit na regionální, národní a mezinárodní úrovni. Tyto aktivity se zaměří na podnícení celosvětového porozumění důležité roli, kterou zvuk hraje ve všech aspektech naší společnosti. Tyto aktivity také podpoří pochopení potřeby kontroly hluku v přírodě, v zastavěném prostředí a na pracovišti.

ISC spolu s Mezinárodní unií aplikované fyziky, IUPAP a Mezinárodní unie teoretické a aplikované matematiky, IUTAM s hrdostí podporujeme Mezinárodní rok zvuku.

Foto James Owen on Unsplash