都保杰

蛋白質或其他分子這樣的小納米物體，幾乎構成了所有的生命物質，包括細胞、組織以及病毒、病原體，觀察它們一般需要高精尖的科學儀器。不過，現(xiàn)在又多了一種新奇的表現(xiàn)形式，我們可以“聽”到它們。

? ? 將COVID-19刺突蛋白翻譯成聲音，以可視化其振動特性，這有助于找到阻止病毒的方法

馬庫斯·布勒是麻省理工學院的McAfee工程學教授，同時也是一位實驗音樂、古典音樂和電子音樂的作曲家。他對聲波研究很感興趣，其作品采用一種被稱為“材料音樂”的方法，例如從生物材料和生命系統(tǒng)中衍生出來的音樂表現(xiàn)形式，以此來更好地理解基礎科學和數(shù)學。

他的研究之一是將音樂和聲音設計作為一種新穎而抽象的方式，從下到上對事物進行建模、優(yōu)化和創(chuàng)造新的形式，并評估跨系統(tǒng)設計之間的關系。在最近的工作中，他開發(fā)了一個新的框架，基于蛋白質以及其他物理現(xiàn)象來創(chuàng)作音樂，以探索不同物種、不同尺度以及物理模型之間的異同。當前，新冠疫情在美國暴發(fā)，布勒將注意力轉向了新冠肺炎的刺突蛋白，正是這種蛋白使新型冠狀病毒具有如此強的傳染性。

新冠病毒轉化成的音頻

他和他的同事試圖通過基于病原體刺突蛋白的聲譜來揭示其振動特性，這可能是研究病毒的一個新方式。把新冠肺炎轉化為聲音后，聽起來不像我們想象的那么致命，就像病毒欺騙我們的細胞一樣，這曲音樂時長約1小時50分鐘，與一場古典音樂會的時間差不多。它展現(xiàn)出一些關于生命和死亡作為對立極之間的微妙關系。

病毒基因組劫持宿主細胞的蛋白質制造機制，迫使宿主細胞復制病毒基因組并產(chǎn)生病毒蛋白質，從而從中制造新病毒。當你“聽“病毒蛋白質的時候，你會發(fā)現(xiàn)復雜的設計會產(chǎn)生令人難以置信的有趣的、令人放松的聲音，并沒有傳達出這種蛋白質對世界的致命影響。音樂作為這種病毒的一種表現(xiàn)形式，同樣具有很強的欺騙性質。

把病毒譜成“曲子”是如何做到的？

布勒團隊開發(fā)了一種將氨基酸序列翻譯成音樂作品的自洽聲波方法，并基于人工智能技術用于蛋白質設計。我們聽到新冠肺炎的“音樂“是一個多層的算法組合，包括整個蛋白質的振動光譜（以聲音和節(jié)奏元素表達）、組成病毒刺突蛋白結構的氨基酸序列和折疊，以及交織在一起的旋律——形成對位音樂，反映蛋白質復雜的層次交叉幾何學。

把氨基酸特征頻譜轉化為音階

這種研究方法根據(jù)蛋白質氨基酸組成模塊的正常模式振動，來計算20種天然氨基酸中每一種的聽覺表達，這完全由其各自自然振動的疊加來定義。遵循換位等效的音樂概念，振動頻率會轉換為可聽頻譜，以某種方式播放或編寫音樂，使之聽起來音高或低，同時保留演奏的音調或和弦之間的關系。

這種轉置方法可確保每個氨基酸內部以及不同氨基酸之間的振動頻率的相對值，與每種氨基酸相關的特征頻譜和聲音代表一種由20種音調組成的音樂音階，即“氨基酸音階”。為了創(chuàng)建一種可演奏的樂器，將與氨基酸相關的每個音調分配給鋼琴卷上的特定琴鍵，這使我們能夠將蛋白質中的氨基酸序列映射為樂譜。

為了反映蛋白質的高級結構細節(jié)，與每個氨基酸相關的音符的音量和持續(xù)時間由蛋白質的二級結構定義，使用DSSP計算得出，從而引入音樂節(jié)奏。然后，研究人員基于通過此超聲處理方法生成的大量樂譜來訓練循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡，并使用AI生成樂曲，捕獲氨基酸序列與蛋白質結構之間的固有關系。

本研究提出的方法也可為理解序列模式、變異和突變提供途徑，并提供一種擴展機制來解釋蛋白質序列的重要性。該方法還可以提供蛋白質折疊的見解，并在定義蛋白質的二級和高階折疊結構時了解氨基酸序列的背景，因此可用于檢測聲音的突變影響。

用“音樂”來表現(xiàn)新冠病毒有什么實際用處？

布勒在接受采訪時表示，我們的大腦擅長處理聲音，一次掃描，我們的耳朵就會聽到其所有層次特征：音高、音色、音量、旋律、節(jié)奏，以及和弦。而要想在圖像中看到相同的細節(jié)，則需要一臺高分辨率顯微鏡才行，而且永遠無法一次看到所有細節(jié)。據(jù)此布勒認為，聲音是一種訪問蛋白質中存儲的信息的絕佳方式。

通常，聲音是通過振動某種材料制成的，而音樂則是通過將聲音按層次排列的方式制成的。借助AI，我們可以結合這些概念，并使用分子振動和神經(jīng)網(wǎng)絡來構建新的音樂形式。我們一直在研究將蛋白質結構轉變?yōu)榭陕犚姷谋硎拘问?，并將這些表示形式轉換為新材料的方法。

從長遠來看，將蛋白質轉化為聲音為科學家提供了另一種理解和設計蛋白質的工具。例如，即使很小的突變也可以限制或增強新冠肺炎的致病力，通過超聲轉化處理，我們還可以比較其刺突蛋白與以前的冠狀病毒（如SARS或MERS）的生化過程。

基于這種“音樂“創(chuàng)作，研究人員還能分析感染宿主的刺突蛋白的振動結構，了解這些振動模式對于藥物設計及其他針對病毒的抵御措施至關重要。舉例來說，這種振動可能會隨著溫度的升高而變化，它們還可以告訴我們，為什么新冠肺炎比其他病毒更容易侵入人體細胞，布勒和團隊還在進行研究以探討這些問題。“我們也可能使用組合方法來設計攻擊病毒的藥物。我們可以搜索一種新蛋白，該蛋白與能夠結合到刺突蛋白的抗體的旋律和節(jié)奏匹配，從而干擾其感染能力?！辈祭照f。（摘自《深科技》）（編輯/諾伊克）