[论文解读] 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 16

一句话总结

本文提出了一种新颖的纳米机械声学化方法，通过材料音乐原理将SARS-CoV-2刺突蛋白的振动动力学转化为可听声音。通过将一级、二级和三级结构中的原子尺度运动映射到音乐音符，采用氨基酸音阶与十二平均律调音，该方法揭示了病毒刺突蛋白在结构与力学特性上的深层信息，及其与受体结合的机制，为蛋白质分析、抗体设计及通过声音科学实现公众参与开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于物理的纳米尺度蛋白质动力学转音频方法，以增强对病毒蛋白力学特性的理解。
• 探究基因突变及刺突蛋白与ACE2受体结合如何改变SARS-CoV-2刺突蛋白的机械与振动特征。
• 通过识别刺突蛋白基序的旋律对位，实现新型蛋白质设计方法，如从头开发抗体。
• 构建一个跨学科平台——材料音乐（materiomusic），连接科学、音乐与艺术，用于公众传播与科学洞察。
• 提供一种新颖的多尺度分析工具，通过声音可视化与解读蛋白质架构与动力学。

提出的方法

• 该方法采用纳米机械模拟，从2019-nCoV刺突蛋白在多个结构层次（一级结构：氨基酸序列，二级结构：α-螺旋、β-折叠，三级结构：三维折叠）中提取振动频率。
• 通过两种调音系统将这些振动频率映射到音乐音符：氨基酸音阶（基于残基特异性频率分配）与十二平均律调音（确保和声一致性）。
• 声学化过程将蛋白质原子结构在不同长度与时间尺度上的振动态模式整合为连续音频信号，保留其结构与动态信息。
• 对五个不同的蛋白质结构（包括刺突蛋白在不同构象状态）应用分层频谱分析，以比较其机械响应。
• 该方法利用基于物理的作曲原理，生成反映生物分子内在力学行为的音乐。
• 生成的音频用于检测因突变或受体结合引起的振动模式变化，为结构分析提供一种新的感官模态。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何将SARS-CoV-2刺突蛋白的纳米机械振动动力学转化为可听且具有音乐意义的表达？
• RQ2 刺突蛋白在融合前与融合后状态下的振动特征有何差异？这些差异如何与功能相关？
• RQ3 刺突蛋白中的基因突变如何改变其机械与声学特性？这些变化是否可通过声学手段检测？
• RQ4 刺突蛋白的声学化结构能否通过旋律互补性指导从头抗体的设计？
• RQ5 声学化在结构病毒学与生物分子物理学中的科研传播与公众参与中，其作用程度如何？

主要发现

• 纳米机械声学化过程成功生成了SARS-CoV-2刺突蛋白的两种不同音频版本——一种基于氨基酸音阶，另一种基于十二平均律调音——均保留了结构与动态信息。
• 分层频谱分析揭示了刺突蛋白一级、二级与三级结构中独特的振动模式，且在与ACE2结合后，频率分布出现明显变化。
• 发现刺突蛋白中的基因突变会引致振动频谱的可测量变化，表现为声学输出中音高与谐波成分的偏移。
• 该方法展示了通过声学模式识别刺突蛋白功能基序的潜力，表明旋律对位可能指导互补抗体序列的设计。
• 该方法促成了新艺术与科学领域的诞生——材料音乐（materiomusic），即通过声音表达物质的力学特性，为生物分子研究提供一种新颖的感官交互界面。
• 声学化蛋白信号为感知与解读复杂蛋白质动力学提供了新方式，支持科学分析与通过听觉感知实现的公众传播。