[論文レビュー] Nanomechanical sonification of the 2019-nCoV coronavirus spike protein through a materiomusical approach

Markus J. Buehler|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2020

Microfluidic and Bio-sensing Technologies参考文献 32被引用数 16

ひとこと要約

本論文は、マテリオミュージックの原理を用いて、SARS-CoV-2スパイクたんぱく質の振動ダイナミクスを聴覚可能な音に変換する画期的なナノメカニカル・サオニフィケーション手法を紹介する。主鎖、二次構造、三次構造の各スケールにおける原子スケールの運動をアミノ酸および均等 temperamentチューニングを用いた音高にマッピングすることで、ウイルススパイクの構造的・機械的特性およびレセプター結合のメカニズムを明らかにし、タンパク質解析、抗体設計、音声を用いた科学的啓発のための新たな道筋を提供する。

ABSTRACT

Proteins are key building blocks of virtually all life, providing the material foundation of spider silk, cells, and hair, but also offering other functions from enzymes to drugs, and pathogens like viruses. Based on a nanomechanical analysis of the structure and motions of atoms and molecules at multiple scales, we report sonified versions of the coronavirus spike protein of the pathogen of COVID-19, 2019-nCoV. The audio signal, created using a novel nanomechanical sonification method, features an overlay of the vibrational signatures of the protein's primary, secondary and higher-order structures. Presenting musical encoding in two versions - one in the amino-acid scale and one based on equal temperament tuning - the method allows for expressing protein structures in audible space, offering novel avenues to represent, analyze and design architectural features across length- and time-scales. We further report a hierarchical frequency spectrum analysis of five distinct protein structures, which offer insights into how genetic mutations, and the binding of the virus spike protein to the human ACE2 cell receptor directly influence the audio. Applications of the approach may include the development of de novo antibodies by designing protein sequences that match, through melodic counterpoints, the binding sites in the spike protein. Other applications of audible coding of matter include material design by manipulating sound, detecting mutations, and offering a way to reach out to broader communities to explain the physics of proteins. It also forms a physics-based compositional technique to create new art, referred to as materiomusic, which is akin to finding a new palette of colors for a painter. Here, the nanomechanical structure of matter, reflected in an oscillatory framework, presents a new palette for sound generation, and can complement or support human creativity.

研究の動機と目的

• ナノスケールのタンパク質ダイナミクスを聴覚可能な音に変換する物理学的アプローチを開発し、ウイルスタンパク質の機械的性質を理解を深める。
• 遺伝子変異およびスパイク-ACE2レセプター結合が、SARS-CoV-2スパイクたんぱく質の機械的および振動的シグネチャにどのように影響を与えるかを調査する。
• スパイクたんぱく質モチーフに対するメロディックなアンサンブルを同定することで、デ・ノボ抗体開発を含むタンパク質設計の新しいアプローチを可能にする。
• 科学、音楽、芸術を統合するための架け橋となる、新規の学際的プラットフォーム「マテリオミュージック」を構築する。
• 視覚的表現に加えて、音声による可視化と解釈を可能にする、多スケールの分析ツールを提供する。

提案手法

• 本手法は、主鎖（アミノ酸配列）、二次構造（アルファヘリックス、ベータシート）、三次構造（3次元折りたたみ）の複数スケールで2019-nCoVスパイクたんぱく質の振動周波数を抽出するナノメカニカルシミュレーションを採用する。
• これらの振動周波数は、アミノ酸スケール（リジッドに特化した周波数割り当て）と均等 temperamentチューニング（調和の整合性を保つ）の2つのチューニング方式を用いて音高にマッピングされる。
• サオニフィケーションプロセスは、長さスケールおよび時間スケールにわたるタンパク質原子構造の振動モードを連続的な音声信号に統合し、構造的および動的情報を保持する。
• 5つの異なるタンパク質構造（スパイクたんぱく質の異なるコンformational状態を含む）に対して階層的周波数スペクトル解析を適用し、機械的応答を比較する。
• 本手法は、生物学的分子の内在的機械的挙動を反映する物理的コンポジションの原則を活用して、音楽的表現を生成する。
• 得られた音声は、変異やレセプター結合に起因する振動モードの変化を検出するのに用いられ、構造的分析のための新しい感覚的モダリティを提供する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SARS-CoV-2スパイクたんぱく質のナノメカニカルな振動ダイナミクスを、聴覚的かつ音楽的に意味のある表現に変換する方法は何か？
• RQ2 スパイクたんぱく質がプリフレーション状態およびポストフレーション状態にある場合、その振動シグネチャにどのような差が生じるか。また、それらは機能とどのように関連するか？
• RQ3 スパイクたんぱく質に生じる遺伝子変異が、その機械的および音響的プロファイルにどのように影響を与え、その変化は音声的に検出可能か？
• RQ4 スパイクたんぱく質のサオニフィケッド構造は、メロディックな補完性を用いて、デ・ノボ抗体の設計を支援できるか？
• RQ5 サオニフィケーションは、構造ウイルス学およびバイオ分子物理学分野における一般啓発および科学的コミュニケーションのツールとして、どの程度有効に機能するか？

主な発見

• ナノメカニカル・サオニフィケーションプロセスにより、SARS-CoV-2スパイクたんぱく質の音声バージョンが2種類生成された。1つはアミノ酸ベースのチューニングシステム、もう1つは均等 temperamentチューニングを用いたもので、両者とも構造的および動的情報を保持していた。
• 階層的周波数スペクトル解析により、スパイクたんぱく質の主鎖、二次構造、三次構造における明確な振動パターンが明らかになった。特に、ACE2に結合した際には周波数分布に顕著なシフトが観察された。
• スパイクたんぱく質の遺伝子変異は、サオニフィケーション出力におけるピッチおよびハーモニック成分のシフトとして、測定可能な周波数スペクトルの変化を引き起こすことが判明した。
• 本手法は、音響的パターンを通じてスパイクたんぱく質の機能的モチーフを同定する可能性を示し、メロディック・カウンターポoinトが補完的抗体配列の設計を支援できる可能性を示唆した。
• 本手法により、物質の機械的性質を音として表現する新規の芸術的・科学的ジャンル「マテリオミュージック」が創出された。これは、バイオ分子研究における新しい感覚的インターフェースを提供する。
• サオニフィケーションされたタンパく質信号は、複雑なタンパク質ダイナミクスを新たな方法で認識・解釈する手がかりを提供し、聴覚的知覚を通じて科学的分析および一般啓発を支援した。