Почему ученые превращают молекулы в музыку?

Преобразование последовательностей ДНК и колебания частиц в ноты позволяет исследователям распознавать неочевидные закономерности и создавать песни.

Марк Темпл, медицинский молекулярный биолог, проводил много времени в своей лаборатории в Университете Западного Сиднея в Австралии, изучая новые лекарства для лечения рака. Он извлекал ДНК из клеток, помещал ее в маленькие пробирки, а затем добавлял лекарство, чтобы увидеть химическую последовательность их взаимодействия. Прежде чем ввести медикаменты, он смотрел на комбинации ДНК на экране, чтобы увидеть, что лучше всего подходит для эксперимента, но визуальное считывание последовательностей часто было трудным.

Поэтому Темпл задался вопросом, есть ли более простой способ обнаружить оптимальные закономерности.

«Я понял, что хочу услышать эту последовательность», – сказал Темпл, который также является музыкантом. «Знаете, комбинация звука и изображения – намного более мощный инструмент для анализа, чем каждый из них по отдельности».

Он создал свою собственную систему присвоения нот различным элементам ДНК – человеческая ДНК состоит из четырех различных нуклеотидов, поэтому было легко начать с четырех нот – и в результате получил небольшую мелодию из взятых материалов. По его словам, этот трюк действительно помог лучше определять закономерности в последовательностях, что позволило эффективнее выбирать, какие комбинации ДНК использовать.

Темпл – не первый человек, который превратил научные данные в звук. За последние 40 лет исследователи перешли от изучения этого трюка как забавного способа выявления закономерностей к использованию его в научных исследованиях. В то время как одни ученые превращают такие звуки в песни, которые, по их словам, могут производить терапевтический эффект, другие представляют будущее, в котором звуки можно будет изменять и реконструировать для создания новых материалов.

Первые эксперименты, в ходе которых ученые преобразовывали биологические данные в звук, начались в начале 1980-х годов. В США Дэвид Димер, ныне биомолекулярный инженер Калифорнийского университета в Санта-Круз и пианист, утверждает, что разговаривал с другом-исследователем, когда впервые заметил, что три из четырех оснований ДНК соответствуют буквам, которые также соответствуют первым буквам музыкальных нот: A, G и C. Он решил присвоить ноту «E» основанию «T» и начал играть ноты на фортепиано, чтобы выяснить, что некоторые из этих комбинаций на самом деле представляют собой два аккорда в музыкальной гамме. Позже он собрал пару коллег и сочинил из этих нот мелодии, кульминацией которых стала кассета, которую назвали «DNA Suite». На ней была 30-минутная запись музыки, основанная на гене человеческого инсулина и некоторых последовательностях бактериальной ДНК. 3 августа 1982 года Дэвид Димер появился в программе «Вселенная Уолтера Кронкайта» на канале CBS и сыграл свою музыку ДНК на фортепиано.

Тем временем во Франции врач и композитор Жоэль Штернхеймер занимался чем-то подобным. Он разрабатывал структуру, основанную на физических явлениях, для преобразования частот колебаний, связанных с каждой из 20 аминокислот, из которых состоят белки, в музыкальные ноты.

С тех пор эксперты из различных областей «озвучивают» вирусы, гормоны, белки, паутину и даже пламя, используя различные методы, которые использовали Димер и Штернхеймер. Некоторые даже занимаются этим на коммерческой основе. Композитор Стюарт Митчелл основал стартап Your DNA Song, который использует метод создания звуков, чтобы превратить генетическую информацию человека в персонализированную мелодию.

Научное сообщество пришло к выводу, что подобные исследования имеют перспективу развития. На основе первого эксперимента Темпл создал собственное алгоритмическое программное обеспечение для преобразования данных в звук. Он считает, что полученная музыка может быть использована для усовершенствования научных исследований.

«Иногда у нас есть тысячи единиц данных из экспериментов, которые довольно сложно обработать, но если преобразовать их в звук, то можно быстро сканировать и отслеживать изменения в данных», – говорит Темпл. Он ссылается на исследования, в которых ученые успешно озвучивали сигналы электрокардиографии для диагностики сердечных заболеваний: обученные кардиологи могли обнаруживать аномалии с точностью до 78% после непродолжительного обучения технике ультразвуковой обработки.

Метод Темпла состоит в сопоставлении каждой отдельной «основы» ДНК – четырех строительных блоков генома человека, также известных как нуклеотиды, помеченных буквами A, C, T, G – музыкальной ноте. Затем берутся последующие пары оснований и сопоставляются с более широкой комбинацией нот. Наконец, берутся триплеты оснований, которые в ДНК отвечают за преобразование аминокислот, и также сопоставляются с нотами. Эта система производит серию сложенных нот, которые можно интерпретировать как аккорды. Аккорды, сыгранные последовательно, создают музыку.

«ДНК читается в клетке белками, которые физически перемещаются по последовательности ДНК в одном направлении, от начала до конца», – констатирует Темпл. «Это как считывающая головка, воспроизводящая кассету от начала до конца».

Во время пандемии Темпл решил превратить звуки в музыку. Он отметил резкую разницу между «озвученными» данными и мелодией. Использование звука для представления данных является эмпирическим и научным подходом, но сильно отличается от творческого создания песен. Музыкальные ноты из ДНК могут быть мелодичными для человеческого уха, но они не звучат как песня, которую можно услышать по радио.

Поэтому, когда он попытался озвучить РНК коронавируса, то наложил слои ударных и гитары, а некоторые его друзья-музыканты добавили свою собственную музыку, чтобы превратить вирус в полноценную пост-рок композицию.

Темпл рассматривает данный метод как эффективный инструмент коммуникации, который поможет широкой аудитории понять сложные системы в науке. Он представлял свои композиции публике в концертных залах Австралии.

«Люди находят скучные способы применения данного метода, но необходимо придумывать новые решения для его популяризации», – говорит он. «Пытаться донести научные идеи до общественности, чтобы привлечь людей».

Он не единственный, кто так думает.

Недавнее исследование, опубликованное в Журнале Химического Образования группой ученых из Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, направлено на то, чтобы разбирать, как может быть использована ультразвуковая обработка в учебных условиях. Научные сотрудники предоставляют лекционные материалы, домашние задания, аудио и видеопримеры, чтобы объяснить подросткам, как сворачиваются белки.

Точно так же Линда Лонг, биохимик из Эксетерского университета в Великобритании, открыла интерактивную образовательную выставку, чтобы знакомить молодежь с человеческим телом. Выставка, которая в течение 12 лет работала в Бристольском междисциплинарном научном центре, использовала интерактивный музыкальный сенсорный экран, чтобы связать инструментальные звуки с обычными белками, обнаруженными в организме.

«Возможность музыки предложить людям простой способ взаимодействия с наукой, природой и строительными блоками генома, вдохновляет», – говорит Лонг.

Лонг присваивает звуки белкам – то, что описывает ДНК – в соответствии с их формой. Она использует метод, называемый рентгеновской кристаллографией, при котором белок буквально кристаллизуется, а затем подвергается рентгеновскому излучению, чтобы увидеть его структуру в мельчайших деталях. Этот процесс создает цепочки чисел, представляющие трехмерную структуру белковой молекулы. В компьютерной программе числа преобразуются в последовательность музыкальных нот. Таким образом, действительно можно «услышать» формы белков, объясняет Лонг. Спирали в белковых формах, например, можно услышать как арпеджио – ноты аккорда, играемые последовательно.

Лонг перевела растительные белки в музыку в альбоме «Музыка растений», а человеческие гормоны в музыкальный альбом «Музыка тела».

«Меня особенно интересует использование молекулярной музыки для укрепления связи между разумом и телом и её применения в терапевтических целях», – говорит Лонг. Она считает, что музыка может задействовать подсознание слушателя, способствуя состоянию ума, оптимальному для самоисцеления и прохождения терапии.

Например, она работает над записью серии молекулярно-музыкальных произведений, предназначенных для использования на сеансах гипнотерапии, чтобы помочь пациентам с потерей веса, используя музыку, переведенную с гормона сжигания жира ирицина. А также продюсирует пять музыкальных композиций, переведенных с человеческих антител, которые нейтрализуют коронавирус.

«Я намерена использовать музыку, чтобы помогать людям визуализировать устойчивую иммунную систему, уменьшать любые чувства страха и беспокойства, которые они могут испытывать в связи с пандемией Covid», – заявила Лонг. Клинических испытаний с использованием музыки Лонг пока не проводилось.

Карла Скалетти, музыкальный технолог и член группы биофизической сонификации Иллинойсского университета в Урбане-Шампейне, отмечает, что пока невозможно сказать, обладает ли работа Лонг клинически значимыми лечебными свойствами. «Хотя я настроена скептически, – говорит Скалетти. «Я по-прежнему готова оценить исследование, в котором сообщается о результатах клинического испытания».

Скалетти утверждает, что звуки и музыка могут оказывать на нас сильное воздействие, и многие люди умеют самостоятельно управлять только теми звуками или музыкой, которые им нужны, чтобы успокоиться, отправиться в бой или заснуть. Но это не означает, что прослушивание трансляции трехмерной белковой структуры в виде последовательности тонов может, например, автоматически придать противовирусные свойства исходному белку.

Маркус Бюлер, инженер-материаловед из Массачусетского технологического института, а также музыкант и композитор, считает, что смешение молекул и музыки выходит за рамки «музыкальной терапии». Он говорит, что потенциально мы могли бы использовать музыку для создания новых методов лечения.

В своей лаборатории в Массачусетском технологическом институте он изучал обработку молекул ультразвуком путем улавливания их вибраций. Поскольку атомы постоянно вибрируют, он «записал» их свойства. Затем с помощью компьютерной программы превратил эти мини-вибрации в слышимые для человеческого уха звуки.

В прошлом году его команда озвучила паутину в жуткий звук шороха и превратила вибрацию пламени в медитативную мелодию гонгов. Бюлер утверждает: мы можем использовать что угодно в качестве инструмента, поскольку всё имеет собственную частоту вибраций.

«Конечно, нам нужны технологии, чтобы действительно добывать эту информацию. Мы не можем буквально взять дерево или огонь и сделать из этого музыку», – говорит Бюлер. «Для этого нужно использовать технологии и математическую теорию, но теперь у вас есть способ использовать пламя как музыкальный инструмент… вы можете взаимодействовать с ним как с человеком».

Бюлер также работал с обратной системой. Он превратил музыку в совершенно новые белки, никогда ранее не встречавшиеся в природе. Например, недавно он преобразовал Гольдберг-вариации Баха в новые белки. Бюлер говорит, что может даже превратить белок в музыку, а затем с помощью музыки – возможно, добавляя риффы тут и там – усовершенствовать белок, чтобы он стал лучшей вариацией самого себя.

Бюлер задается вопросом: кто знает, где они пригодятся на эволюционном уровне? Возможно, его система сможет создать белок, который окажется заменителем мяса, или белок, из которого можно синтезировать новое лекарство. Сейчас, например, Бюлер ищет белок для продления срока годности скоропортящихся продуктов.

Поскольку творчество с годами привело к таким сложным разновидностям музыки – от классики до техно – возможно, это творчество можно было бы перевести из нематериального, приятного опыта в научное знание, чтобы сделать его физическим. Словно в этих сложных мелодиях скрыты формулы для создания новых материалов.

«На самом деле, музыка может многое предложить научному сообществу. В действительности все эти данные еще не изучены», – говорит Бюлер.