新冠病毒的“声音”？科学家根据其刺突蛋白谱写

都保杰

蛋白质或其他分子这样的小纳米物体，几乎构成了所有的生命物质，包括细胞、组织以及病毒、病原体，观察它们一般需要高精尖的科学仪器。不过，现在又多了一种新奇的表现形式，我们可以“听”到它们。

    将COVID-19刺突蛋白翻译成声音，以可视化其振动特性，这有助于找到阻止病毒的方法

马库斯·布勒是麻省理工学院的McAfee工程学教授，同时也是一位实验音乐、古典音乐和电子音乐的作曲家。他对声波研究很感兴趣，其作品采用一种被称为“材料音乐”的方法，例如从生物材料和生命系统中衍生出来的音乐表现形式，以此来更好地理解基础科学和数学。

他的研究之一是将音乐和声音设计作为一种新颖而抽象的方式，从下到上对事物进行建模、优化和创造新的形式，并评估跨系统设计之间的关系。在最近的工作中，他开发了一个新的框架，基于蛋白质以及其他物理现象来创作音乐，以探索不同物种、不同尺度以及物理模型之间的异同。当前，新冠疫情在美国暴发，布勒将注意力转向了新冠肺炎的刺突蛋白，正是这种蛋白使新型冠状病毒具有如此强的传染性。

新冠病毒转化成的音频

他和他的同事试图通过基于病原体刺突蛋白的声谱来揭示其振动特性，这可能是研究病毒的一个新方式。把新冠肺炎转化为声音后，听起来不像我们想象的那么致命，就像病毒欺骗我们的细胞一样，这曲音乐时长约1小时50分钟，与一场古典音乐会的时间差不多。它展现出一些关于生命和死亡作为对立极之间的微妙关系。

病毒基因组劫持宿主细胞的蛋白质制造机制，迫使宿主细胞复制病毒基因组并产生病毒蛋白质，从而从中制造新病毒。当你“听“病毒蛋白质的时候，你会发现复杂的设计会产生令人难以置信的有趣的、令人放松的声音，并没有传达出这种蛋白质对世界的致命影响。音乐作为这种病毒的一种表现形式，同样具有很强的欺骗性质。

把病毒谱成“曲子”是如何做到的？

布勒团队开发了一种将氨基酸序列翻译成音乐作品的自洽声波方法，并基于人工智能技术用于蛋白质设计。我们听到新冠肺炎的“音乐“是一个多层的算法组合，包括整个蛋白质的振动光谱（以声音和节奏元素表达）、组成病毒刺突蛋白结构的氨基酸序列和折叠，以及交织在一起的旋律——形成对位音乐，反映蛋白质复杂的层次交叉几何学。

把氨基酸特征频谱转化为音阶

这种研究方法根据蛋白质氨基酸组成模块的正常模式振动，来计算20种天然氨基酸中每一种的听觉表达，这完全由其各自自然振动的叠加来定义。遵循换位等效的音乐概念，振动频率会转换为可听频谱，以某种方式播放或编写音乐，使之听起来音高或低，同时保留演奏的音调或和弦之间的关系。

这种转置方法可确保每个氨基酸内部以及不同氨基酸之间的振动频率的相对值，与每种氨基酸相关的特征频谱和声音代表一种由20种音调组成的音乐音阶，即“氨基酸音阶”。为了创建一种可演奏的乐器，将与氨基酸相关的每个音调分配给钢琴卷上的特定琴键，这使我们能够将蛋白质中的氨基酸序列映射为乐谱。

为了反映蛋白质的高级结构细节，与每个氨基酸相关的音符的音量和持续时间由蛋白质的二级结构定义，使用DSSP计算得出，从而引入音乐节奏。然后，研究人员基于通过此超声处理方法生成的大量乐谱来训练循环神经网络，并使用AI生成乐曲，捕获氨基酸序列与蛋白质结构之间的固有关系。

本研究提出的方法也可为理解序列模式、变异和突变提供途径，并提供一种扩展机制来解释蛋白质序列的重要性。該方法还可以提供蛋白质折叠的见解，并在定义蛋白质的二级和高阶折叠结构时了解氨基酸序列的背景，因此可用于检测声音的突变影响。

用“音乐”来表现新冠病毒有什么实际用处？

布勒在接受采访时表示，我们的大脑擅长处理声音，一次扫描，我们的耳朵就会听到其所有层次特征：音高、音色、音量、旋律、节奏，以及和弦。而要想在图像中看到相同的细节，则需要一台高分辨率显微镜才行，而且永远无法一次看到所有细节。据此布勒认为，声音是一种访问蛋白质中存储的信息的绝佳方式。

通常，声音是通过振动某种材料制成的，而音乐则是通过将声音按层次排列的方式制成的。借助AI，我们可以结合这些概念，并使用分子振动和神经网络来构建新的音乐形式。我们一直在研究将蛋白质结构转变为可听见的表示形式，并将这些表示形式转换为新材料的方法。

从长远来看，将蛋白质转化为声音为科学家提供了另一种理解和设计蛋白质的工具。例如，即使很小的突变也可以限制或增强新冠肺炎的致病力，通过超声转化处理，我们还可以比较其刺突蛋白与以前的冠状病毒（如SARS或MERS）的生化过程。

基于这种“音乐“创作，研究人员还能分析感染宿主的刺突蛋白的振动结构，了解这些振动模式对于药物设计及其他针对病毒的抵御措施至关重要。举例来说，这种振动可能会随着温度的升高而变化，它们还可以告诉我们，为什么新冠肺炎比其他病毒更容易侵入人体细胞，布勒和团队还在进行研究以探讨这些问题。“我们也可能使用组合方法来设计攻击病毒的药物。我们可以搜索一种新蛋白，该蛋白与能够结合到刺突蛋白的抗体的旋律和节奏匹配，从而干扰其感染能力。”布勒说。（摘自《深科技》）（编辑/诺伊克）