The Sound of Science – das SARS-CoV-2-Virus als klassisches Musikstück

Um 2020 als Internationales Jahr des Klangs zu feiern, dachten wir, es wäre schön, die Woche mit den Klängen der Wissenschaft zu beenden. Der ISC sprach mit Markus J. Bühler der die Proteine ​​des Virus SARS-CoV-2 in Musik umgewandelt hat.

Wie wird ein Sound für das SARS-CoV-2-Virus erstellt??

Proteine ​​sind die Grundbausteine ​​des Lebens, einschließlich Viren. Sie bestehen aus 20 Aminosäuren, die jeweils durch DNA-Sequenzen kodiert werden. Proteine ​​sind also eine Materialisierung der DNA-Sprache. Und Proteine ​​spiegeln eine natürliche Sprache wider, die wir noch nicht sprechen können.

Wir können diese Sprache jedoch hören, indem wir die Schwingungsfrequenzen der Moleküle berechnen, aus denen die Proteine ​​bestehen. Jeder vibriert aufgrund der Temperatur in einem einzigartigen Spektrum und als wohldefinierter Klang (siehe unser ACS Nano-Papier von 2019). Wir können diese Grundtöne verwenden, die eine neuartige Art von Tonleiter bilden, die Aminosäure-Tonleiter, um Klangsequenzen zu definieren. Rhythmen werden verwendet, um lokale Strukturen auszudrücken, und Elemente höherer Ordnung wie die Faltung werden in komplexeren hierarchischen Merkmalen der Musikkomposition ausgedrückt – wie etwa überlappende Melodien, angeschlagene Akkorde und andere. Die Musik kann als Übersetzung der verschiedenen Schwingungsmuster der Proteinstruktur in ein Audiosignal angesehen werden, das Sie hören und für weitere Analysen nutzen können.

Tatsächlich enthält das Speichenprotein des COVID-19-Virus drei Proteinketten, die zu einem faszinierenden Muster gefaltet sind. Diese Strukturen sind zu klein für das Auge, aber sie können gehört werden! Wir stellten die physische Proteinstruktur mit ihren verschlungenen Ketten als ineinander verwobene Melodien dar, die eine vielschichtige Komposition bilden. Daher ist das resultierende Stück eine Form von Kontrapunktmusik, bei der Noten gegen Noten gespielt werden. Wie eine Symphonie spiegeln die musikalischen Muster die sich überschneidende Geometrie des Proteins wider, die durch die Materialisierung seines DNA-Codes entsteht.

Hat die von Ihnen erzielte Punktzahl Einfluss darauf, wie Wissenschaftler eine Lösung für die Entwicklung eines Impfstoffs finden können?

Längerfristig ja. Die Übersetzung von Proteinen in Schall gibt Wissenschaftlern ein weiteres Werkzeug zum Verständnis und Design von Proteinen an die Hand. Schon eine kleine Mutation kann die pathogene Kraft von SARS-CoV-2 begrenzen oder verstärken. Durch Sonifikation können wir auch die biochemischen Prozesse seines Spike-Proteins mit früheren Coronaviren, wie SARS oder MERS. 

In der von uns erstellten Musik haben wir die Schwingungsstruktur des Spike-Proteins analysiert, das den Wirt infiziert. Das Verständnis dieser Schwingungsmuster ist entscheidend für das Arzneimitteldesign und vieles mehr. Vibrationen können sich zum Beispiel ändern, wenn die Temperaturen wärmer werden, und sie können uns auch sagen, warum die SARS-CoV-2-Spitze mehr zu menschlichen Zellen hingezogen wird als zu anderen Viren. Wir untersuchen diese Fragen in aktuellen, laufenden Forschungen mit meinen Doktoranden. Wir könnten auch einen kompositorischen Ansatz verwenden, um Medikamente zu entwickeln, die das Virus angreifen. Wir könnten nach einem neuen Protein suchen, das der Melodie und dem Rhythmus eines Antikörpers entspricht, der in der Lage ist, an das Spike-Protein zu binden und seine Infektionsfähigkeit zu beeinträchtigen.

Es ist das Internationale Jahr des Klangs. Was kann uns der Klang lehren, Lösungen für die globalen Herausforderungen zu finden, vor denen die Menschheit steht?

Unser Gehirn ist großartig darin, Geräusche zu verarbeiten! Auf einen Schlag erfassen unsere Ohren alle hierarchischen Merkmale: Tonhöhe, Klangfarbe, Lautstärke, Melodie, Rhythmus und Akkorde. Wir würden ein leistungsstarkes Mikroskop benötigen, um die entsprechenden Details in einem Bild zu sehen, und wir könnten niemals alles auf einmal sehen. Sound ist eine so elegante Möglichkeit, auf die in einem Protein gespeicherten Informationen zuzugreifen. 

In der Regel wird der Klang durch Vibrieren eines Materials wie einer Gitarrensaite erzeugt, und Musik wird durch Anordnen von Klängen in hierarchischen Mustern erzeugt. Mit AI können wir diese Konzepte kombinieren und molekulare Schwingungen und neuronale Netze verwenden, um neue Musikformen zu konstruieren. Wir haben an Methoden gearbeitet, um Proteinstrukturen in hörbare Darstellungen umzuwandeln und diese Darstellungen in neue Materialien zu übersetzen. 

Wir nennen den Ansatz, Materialien auf unkonventionelle Weise zu nutzen, um die Grundlage für Klang und Musik zu bilden „Materialmusik“ – die Grenzen der meisten Musikergenerationen über vibrierende Saiten hinaus verschieben. Und jenseits der vollsynthetischen Klänge von Synthesemethoden. Vielmehr Quantenchemie und reale physikalische Prinzipien als Grundlage für die Gestaltung der Leinwand musikalischer Komposition zu verwenden.

Das Design neuer Materialien ist eine wesentliche Herausforderung bei der Entwicklung nachhaltiger Technologien – denken Sie an leichtere, robustere und widerstandsfähigere Materialien. Oder intelligente Materialien, die als Sensoren fungieren. Wir können auch ein Bewusstsein für die gegensätzlichen Pole von Schönheit, Leben und Tod schaffen und das Konzept der Täuschung verstehen, da es den Kern der Natur des Infektions- und Verbreitungsmusters des Virus ausmacht. Und wir können hoffentlich vielen Menschen auf der ganzen Welt Proteine ​​beibringen – sie sind die materielle Grundlage allen Lebens und es wert, sie zu verstehen!

Man kann sich Musik auch als eine algorithmische Reflexion der Struktur vorstellen. Bachs Goldberg-Variationen zum Beispiel sind eine brillante Umsetzung des Kontrapunkts, ein Prinzip, das wir auch in Proteinen gefunden haben. Wir können dieses Konzept jetzt so hören, wie es die Natur komponiert hat, und es mit Ideen in unserer Vorstellung vergleichen oder KI verwenden, um die Sprache des Proteindesigns zu sprechen und es sich neue Strukturen vorstellen zu lassen. Wir glauben, dass die Analyse von Klang und Musik uns helfen kann, die materielle Welt besser zu verstehen. Künstlerischer Ausdruck ist schließlich nur ein Modell der Welt in uns und um uns herum. 

Es gibt also viel zu lernen, von der menschlichen Gesundheit über die Biologie bis hin zur Bewältigung großer Herausforderungen.

2020 ist das Internationales Jahr des Klangs, eine globale Initiative, um die Bedeutung solider und verwandter Wissenschaften und Technologien für alle in der Gesellschaft hervorzuheben. Das International Year of Sound wird aus koordinierten Aktivitäten auf regionaler, nationaler und internationaler Ebene bestehen. Diese Aktivitäten zielen darauf ab, weltweit das Verständnis für die wichtige Rolle zu fördern, die Geräusche in allen Aspekten unserer Gesellschaft spielen. Außerdem fördern diese Aktivitäten das Verständnis für die Notwendigkeit der Lärmbekämpfung in der Natur, in der bebauten Umgebung und am Arbeitsplatz.

Das ISC, zusammen mit der International Union of Applied Physics, IUPAP und der Internationalen Union für Theoretische und Angewandte Mathematik, IUTAM sind stolz darauf, das International Year of Sound zu unterstützen.

Photo by James Owen on Unsplash