Эта статья перепечатана с сайта The Conversation по лицензии Creative Commons. Читайте оригинал статьи (и слушайте музыку), который был опубликован 29 сентября 2021 года.
С помощью правильной компьютерной программы белки превращаются в приятную музыку.
Существует множество удивительных аналогий между белками, основными строительными блоками жизни, и музыкальной нотацией. Эти аналогии можно использовать не только для продвижения исследований, но и для того, чтобы сделать сложность белков доступной для широкой публики.
Мы — биологи-вычислители, которые считают, что звучание жизни на молекулярном уровне может вдохновить людей на изучение биологии и вычислительных наук. Хотя создание музыки на основе белков не является чем-то новым, различные музыкальные стили и алгоритмы композиции еще не были изучены. Поэтому мы возглавили команду старшеклассников и других ученых, чтобы выяснить, как создать классическую музыку на основе белков.
Музыкальные аналогии белков
Белки по своей структуре напоминают свернутые цепочки. Эти цепочки состоят из небольших блоков, состоящих из 20 возможных аминокислот, каждая из которых обозначена буквой алфавита.
Белковую цепочку можно представить в виде строки букв алфавита, что очень похоже на строку нот в алфавитной нотации.
Белковые цепи также могут складываться в волнистые и изогнутые узоры с подъемами, спусками, поворотами и петлями. Точно так же и музыка состоит из звуковых волн более высокого и более низкого тона, с меняющимся темпом и повторяющимися мотивами.
Таким образом, алгоритмы преобразования белков в музыку могут отображать структурные и физико-химические особенности строк аминокислот на музыкальные особенности строк нот.
Повышение музыкальности картирования белков
Сопоставление белков с музыкой можно усовершенствовать, основываясь на особенностях определенного музыкального стиля. Это повышает музыкальность, или мелодичность песни, при преобразовании свойств аминокислот, таких как последовательность и вариации, в аналогичные музыкальные свойства, такие как высота тона, длина нот и аккорды.
Для нашего исследования мы выбрали классическую фортепианную музыку романтического периода XIX века, в которую входят такие композиторы, как Шопен и Шуберт, потому что она обычно охватывает широкий диапазон нот с более сложными характеристиками, такими как хроматизм, например, игра на белых и черных клавишах фортепиано в порядке возрастания высоты тона, и аккорды. Музыка этого периода также имеет тенденцию к более легким, изящным и эмоциональным мелодиям. Песни обычно гомофонны, то есть следуют центральной мелодии с аккомпанементом. Эти особенности позволили нам протестировать более широкий диапазон нот в нашем алгоритме сопоставления белка с музыкой. В данном случае для разработки программы мы решили проанализировать особенности «Фантазии-инспромпту» Шопена.
Чтобы протестировать алгоритм, мы применили его к 18 белкам, играющим ключевую роль в различных биологических функциях. Каждая аминокислота в белке сопоставляется с определенной нотой в зависимости от того, как часто она встречается в белке, а другие аспекты ее биохимии соответствуют другим аспектам музыки. Например, аминокислота большего размера будет иметь меньшую длину ноты, и наоборот.
Получилась сложная музыка с заметными вариациями высоты тона, громкости и ритма. Поскольку алгоритм был полностью основан на последовательности аминокислот и нет двух белков с одинаковой последовательностью аминокислот, каждый белок будет создавать свою песню. Это также означает, что музыкальность различных произведений варьируется, и могут возникать интересные закономерности.
Например, музыка, созданная белком-рецептором, который связывается с гормоном и нейротрансмиттером окситоцином, имеет некоторые повторяющиеся мотивы из-за повторения определенных небольших последовательностей аминокислот.
С другой стороны, музыка, созданная на основе опухолевого антигена p53, белка, предотвращающего образование рака, отличается высокой хроматичностью, создавая особенно захватывающие фразы, в которых музыка звучит почти как токката — стиль, часто отличающийся быстрой и виртуозной техникой.
Если провести анализ свойств аминокислот через определенные музыкальные стили, то белковая музыка может звучать гораздо приятнее для слуха. Этот метод можно развить и применить к более широкому спектру музыкальных стилей, включая поп-музыку и джаз.
Белковая музыка — пример того, как объединение биологических и вычислительных наук может привести к созданию прекрасных произведений искусства. Мы надеемся, что эта работа вдохновит исследователей на сочинение белковой музыки разных стилей и побудит публику к изучению основных строительных блоков жизни.
Это исследование было разработано совместно с Николь Тэй, Фаньси Лю, Чаосинь Ван и Хуэй Чжан.
Авторы: Пенг Чжан, постдокторский исследователь в области вычислительной биологии, Рокфеллеровский университет, и Юзун Чен, профессор фармакологии, Национальный университет Сингапура.
