News-Medical говорит с профессором Маркусом Бюлером о его исследовании COVID-19 и о том, как он перевел вирус SARS-CoV-2 в звук.

Что спровоцировало ваше исследование белков?

Белки – это кирпичи и строительный раствор, из которых состоят наши клетки, органы и тело. Белки альфа спирали особенно важны. Их пружинящая структура придает им эластичность и упругость, поэтому кожа, волосы, перья, копыта и даже клеточные мембраны настолько долговечны.

Как материаловед, они являются одними из наиболее важных материалов в природе, и мы заинтересованы в том, чтобы понять, как они образуются, как они разрушаются, и как мы можем улучшить их конструкцию в новых инженерных материалах.

<img alt=" Вирус SARS-CoV-2 "height =" 721 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f4%2fspike_1280p.jpg "title =" Вирус SARS-CoV-2 "width =" 1280 "/>

Изображение предоставлено: Markus J Buehler

Как вы использовали искусственный интеллект для производства белков?

Белки имеют свой язык, и мы не знаем, как он работает. Мы не знаем, что делает протеин шелка протеином шелка или какие структуры отражают функции, обнаруженные в ферменте. Мы не знаем код.

Итак, использование машинного обучения может быть мощным способом лучше понять его.

В более широком смысле, белки отражают естественный язык, на котором мы еще не знаем, как говорить. Однако мы можем услышать этот язык, рассчитав частоты колебаний молекул, составляющих белки.

Каждый вибрирует, благодаря температуре, с уникальным спектром и четко определенным звуком (см. Нашу статью ACS Nano 2019 года: http://doi.org/10.1021/acsnano.9b02180). Мы можем использовать эти основные тоны, формируя новый тип музыкальной шкалы, аминокислотную шкалу, для определения последовательностей в звуке.

Ритмы используются для выражения локальных структур, а элементы более высокого порядка, такие как свертывание, выражаются в более сложных иерархических особенностях музыкальной композиции, таких как перекрывающиеся мелодии, ударные аккорды и другие. Музыку можно рассматривать как перевод различных вибрационных структур белковой структуры в аудиосигнал, который вы можете услышать и использовать для дальнейшего анализа.

Как этот метод можно использовать этот метод для разработки новых белков и в каких приложениях они могут быть использованы?

Мы использовали систему искусственного интеллекта для изучения каталога мелодий, производимых различными белками. Мы сделали так, чтобы система ИИ вносила небольшие изменения в музыкальную последовательность или создавала совершенно новые последовательности, а затем переводила звуки обратно в белки, которые соответствуют модифицированным или вновь разработанным версиям.

С помощью этого процесса мы смогли создать варианты существующих белков – например, один из найденных в паутине, один из самых сильных природных материалов – таким образом, делая новые белки непохожими на те, которые были получены в результате эволюции.

Используя это, мы можем сделать более качественные материалы, более прочные, легкие и настраиваемые.

Что побудило вас применить свое исследование к COVID-19 и как вы это делаете?

Спайк-белок вируса COVID-19 содержит три белковые цепи, сложенные в интригующий рисунок. Эти структуры слишком малы, чтобы глаз мог их видеть, но их можно услышать!

Мы представили физическую структуру белка с его переплетенными цепями в виде переплетенных мелодий, которые образуют многослойную композицию.

Следовательно, результирующая пьеса является формой контрапунктовой музыки, в которой ноты играют против нот. Подобно симфонии, музыкальные паттерны отражают пересекающуюся геометрию белка, реализованную путем материализации его кода ДНК.

SARS-CoV-2 содержит остроконечный белок. Что такое белок спайк и почему он делает вирусы такими заразными?

Спайковый белок – это короновидный белок, который торчит из вируса и дает ему свое название. Они очень заразны, так как они легко взаимодействуют с рецепторами клеток человека, такими как ACE2.

Какие свойства вы открыли при преобразовании белка-шипа SARS-CoV-2 в звук?

Было удивительно видеть невероятную сложность белка, слышимого в звуке, и открывать различные способы, с помощью которых повторение последовательности белка взаимодействует с вариациями, и как они пересекаются через сложенную трехмерную структуру.

Природа предлагает невероятное понимание структуры своих строительных блоков, и музыка может стать мощным способом лучше понять ее и по-другому понять ее принципы проектирования

Может ли это исследование помочь нам понять COVID-19? Может ли это помочь найти вакцину или лекарства для борьбы с ней?

В долгосрочной перспективе да. Перевод белков в звук дает ученым еще один инструмент для понимания и разработки белков. Даже небольшая мутация может ограничивать или усиливать патогенную силу SARS-CoV-2.

Посредством обработки ультразвуком мы также можем сравнивать биохимические процессы его белка-шипа с предыдущими коронавирусами, такими как SARS или MERS. В музыке, которую мы создали, мы проанализировали вибрационную структуру белка шипа, который заражает хозяина.

Понимание этих вибрационных моделей имеет решающее значение для разработки лекарств и многое другое. Например, вибрации могут изменяться при повышении температуры, и они также могут сказать нам, почему шип SARS-CoV-2 тяготеет к клеткам человека больше, чем другие вирусы.

<img alt=" Коронавирус "height =" 568 "src =" http://www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f4%2fshutterstock_1621031059.jpg "title =" Коронавирус "width =" 1000" />

Кредит изображения: Lightspring / Shutterstock.com

Мы изучаем эти вопросы в рамках текущих, текущих исследований с моими аспирантами. Мы могли бы также использовать композиционный подход для разработки лекарств для борьбы с вирусом.

Мы могли бы искать новый белок, который соответствовал бы мелодии и ритму антитела, способного связываться с остроконечным белком, препятствуя его способности заражать.

Каковы следующие шаги в вашем исследовании?

Наш мозг великолепен в обработке звука! Одним махом наши уши воспринимают все его иерархические особенности: высоту звука, тембр, громкость, мелодию, ритм и аккорды.

Нам понадобится мощный микроскоп, чтобы увидеть эквивалентные детали на изображении, и мы никогда не увидим все сразу. Звук – это такой элегантный способ доступа к информации, хранящейся в белке.

Как правило, звук создается из вибрирующего материала, например гитарной струны, а музыка создается путем упорядочения звуков в иерархических структурах. С ИИ мы можем объединить эти концепции и использовать молекулярные вибрации и нейронные сети для создания новых музыкальных форм.

Мы работали над методами превращения белковых структур в слышимые представления и перевода этих представлений в новые материалы. Мы называем подход к использованию материалов нетрадиционными способами, чтобы сформировать основу для звука и музыки, «materiomusic» – раздвигая границы большинства музыкального поколения за пределы вибрирующих струн и за пределы полностью синтетических звуков методов синтеза.

Скорее, использовать квантовую химию и реальные физические принципы в качестве основы для формирования холста музыкальной композиции.

Разработка новых материалов является важной задачей при разработке устойчивых технологий – подумайте о более легких, более прочных и более эластичных материалах. Или умные материалы, которые действуют как датчики.

Мы также можем привлечь внимание к противоположным полюсам красоты, жизни и смерти и понять концепцию обмана, поскольку она лежит в основе характера вирусной инфекции и распространения. И мы можем, надеюсь, научить многих людей во всем мире белкам – они являются материальной основой для всей жизни и заслуживают понимания!

Вы также можете думать о музыке как о алгоритмическом отражении структуры. Например, вариации Гольдберга Баха – блестящая реализация контрапункта, принцип, который мы также обнаружили в белках.

Теперь мы можем услышать эту концепцию как составленную природой и сравнить ее с идеями в нашем воображении или использовать ИИ, чтобы говорить на языке белкового дизайна и позволить ему представить новые структуры. Мы верим, что анализ звука и музыки может помочь нам лучше понять материальный мир.

В конце концов, художественное выражение – это просто модель мира внутри нас и вокруг нас. Итак, есть чему поучиться, начиная от здоровья человека и заканчивая биологией, до решения больших задач.

Где читатели могут найти больше информации?

Вы можете прослушать сонификацию белков и другие материалы для материи и музыки здесь: https://soundcloud.com/user-275864738

О профессоре Маркусе Бюлере

Маркус Дж. Бюлер – профессор McAfee в штате Массачусетский технологический институт, композитор экспериментальной, классической и электронной музыки, заинтересованный в озвучивании.

Используя подход, названный "materiomusic", его художественная работа исследует создание новых форм музыкальных выражений – таких, которые получены из биологических материалов и живых систем – как средство для лучшего понимания основополагающей науки и математики.

Одна из его целей – использовать музыкальный и звуковой дизайн как новый и абстрактный способ моделирования, оптимизации и создания новых форм материи снизу вверх, а также для оценки взаимосвязей между системами проектирования. Он также интересуется исследованиями, посвященными изучению взаимосвязей между классической музыкой, математикой, физическими и биологическими науками, а также отображением моделей сознания в разных системах. <img alt=" Профессор Маркус Бюлер "height =" 270 "src =" http: //www.news-medical.net/image.axd?picture=2020%2f4%2fNM8_Bio.jpg "style =" float: right; "title =" Профессор Маркус Бюлер "width =" 180 "/>

В своей недавней работе он разработал новую структуру для сочинения музыки на основе белков – основных молекул всей жизни, а также других физических явлений, таких как разрушение, для изучения сходств и различий между видами, масштабами, а также между философскими и физические модели.

Его научная работа высоко цитируется и включает в себя более 450 статей по вычислительной материаловедению, биоматериалам и нанотехнологиям, многие из которых опубликованы в журналах с высоким уровнем воздействия. Он является автором двух монографий в области вычислительного материаловедения и дизайна материалов, основанных на биологических аспектах, и является основателем развивающегося направления исследований в области материаловедения.

Он является преданным педагогом и одаренным учителем и появлялся в многочисленных теле- и радиопередачах, чтобы объяснить влияние своих исследований на широкую аудиторию.