[논문 리뷰] Nanomechanical sonification of the 2019-nCoV coronavirus spike protein through a materiomusical approach

Markus J. Buehler|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 30.

Microfluidic and Bio-sensing Technologies참고 문헌 32인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 물음표 음악 원리에 기반한 나노기계적 사운드화 기법을 도입하여, 코로나19 바이러스 스파이크 단백질의 진동 역학을 청각적 음악으로 변환한다. 아미노산과 등온 temperamental 테이닝을 활용해 주요, 이차 및 삼차 구조의 원자 척도 운동을 음정으로 매핑함으로써 바이러스 스파이크의 구조적 및 기계적 특성과 수용체 결합 메커니즘을 밝혀내며, 단백질 분석, 항체 설계 및 청각 기반 과학 홍보를 위한 새로운 길을 열어 놓는다.

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.

연구 동기 및 목표

• 나노스케일 단백질 역학을 청각적 음악으로 변환하는 물리 기반 방법을 개발하여 바이러스 단백질 기계적 특성 이해를 향상시키는 것.
• 유전자 돌연변이와 스파이크-ACE2 수용체 결합이 코로나19 바이러스 스파이크 단백질의 기계적 및 진동 서명에 어떻게 영향을 미치는지 탐구하는 것.
• 스파이크 단백질 모티프에 대한 멜로디적 반대를 식별함으로써 신규 항체 설계와 같은 단백질 설계 신전략을 가능하게 하는 것.
• 과학, 음악, 예술을 융합한 새로운 다학제적 플랫폼인 물음표 음악을 구축하여 대중 홍보와 과학적 통찰을 도모하는 것.
• 소리 기반으로 단백질 구조 및 역학을 시각화하고 해석할 수 있는 새로운 다스케일 분석 도구를 제공하는 것.

제안 방법

• 이 방법은 나노기계적 시뮬레이션을 활용해 2019-ncov 스파이크 단백질의 주요(아미노산 서열), 이차(알파 나선, 베타 시트), 삼차(3차 구조 접힘) 수준의 다양한 구조적 척도에서 진동 주파수를 추출한다.
• 이러한 진동 주파수는 아미노산 스케일(잔기별 주파수 할당 기반)과 등온 템페라멘트 테이닝(조화 일관성 확보)의 두 가지 테이닝 체계를 사용해 음정으로 매핑된다.
• 사운드화 과정은 길이 척도와 시간 척도에 걸쳐 단백질 원자 구조의 진동 모드를 연속적인 음성 신호로 통합하여 구조적 및 역학적 정보를 유지한다.
• 계층적 주파수 스펙트럼 분석을 통해 스파이크 단백질의 다양한 구조적 상태(예: 전구조, 후구조)를 포함한 다섯 가지 구조를 비교 분석하여 기계적 반응을 평가한다.
• 물리 기반의 작곡 원리를 활용해 생분자의 내재된 기계적 거동을 반영한 음악을 생성한다.
• 결과로 생성된 음성 신호를 통해 돌연변이 또는 수용체 결합에 의한 진동 모드 변화를 탐지함으로써, 구조 분석을 위한 새로운 감각 모odal리티를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코로나19 바이러스 스파이크 단백질의 나노기계적 진동 역학을 청각적이고 음악적으로 의미 있는 표현으로 변환하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 스파이크 단백질의 프리-퓨전 및 퓨전 상태에서의 진동 서명에 어떤 차이가 있으며, 이는 기능과 어떻게 관련되는가?
• RQ3 스파이크 단백질의 유전자 돌연변이가 그 기계적 및 음향 프로파일에 어떻게 영향을 미치며, 이러한 변화는 청각적으로 감지될 수 있는가?
• RQ4 스파이크 단백질의 사운드화된 구조가 멜로디적 보완성을 통해 신규 항체의 설계를 이끌 수 있는가?
• RQ5 사운드화 기법이 구조 바이러스학 및 생분자 물리학 분야에서 대중 홍보 및 과학 커뮤니케이션 도구로 얼마나 효과적으로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 나노기계적 사운드화 과정을 통해 아미노산 기반 테이닝 시스템과 등온 템페라멘트 테이닝을 사용한 두 가지 다른 오디오 버전을 성공적으로 생성하였으며, 모두 구조적 및 역학적 정보를 유지하였다.
• 계층적 주파수 스펙트럼 분석을 통해 스파이크 단백질의 주요, 이차 및 삼차 구조에서 명확한 진동 패tern을 규명하였으며, ACE2 수용체에 결합함에 따라 주파수 분포에 뚜렷한 이동이 관찰되었다.
• 스파이크 단백질의 유전자 돌연변이가 진동 스펙트럼에 측정 가능한 변화를 유도하며, 이는 사운드화된 출력에서 톤과 고조파 구성의 변화로 확인되었다.
• 이 방법은 음향 패턴을 통해 스파이크 단백질의 기능적 모티프를 식별할 잠재력을 보였으며, 이는 멜로디적 반대를 통해 보완적인 항체 서열 설계를 이끌 수 있음을 시사한다.
• 이 접근법은 기계적 성질이 소리로 표현되는 새로운 예술적·과학적 장르인 물음표 음악을 창출하였으며, 생분자 연구를 위한 새로운 감각 인터페이스를 제공한다.
• 사운드화된 단백질 신호는 복잡한 단백질 역학을 새로운 방식으로 인지하고 해석할 수 있는 수단을 제공하였으며, 청각 인지 기반 과학적 분석과 대중 홍보를 동시에 지원한다.