发布日期：2022-05-31
水木视界iss.9丨聆听真理：蛋白质折叠的"声化"研究
水木视界iss.9丨聆听真理：蛋白质折叠的"声化"研究
发布日期：2022-05-31 13:56
伊利诺伊大学香槟分校(UIUC)的一个研究小组正在利用声音来描述生物化学过程，以帮助科学家们更好地理解这些过程是如何发生的。
音乐教授&作曲家Stephen Andrew Taylor；美国科学院院士，化学教授&生物物理学家Martin Gruebele；以及UIUC校友、作曲家和软件设计师Carla Scaletti在UIUC组成了一个研究小组。自新冠大流行以来，他们每周都会在Zoom上开会。该小组正尝试将蛋白质音乐化，以研究蛋白质折叠的物理机制，而这项工作最近有了回报：Gruebele对蛋白质的折叠方式有了新发现。
左：Taylor， UIUC音乐教授&作曲家 中：Gruebele，美国科学院院士，UIUC化学教授&生物物理学家 右：Scaletti，UIUC校友、作曲家和软件设计师 @L. Brian Stauffer
Taylor大部分的音乐创作都受到了科学的影响，他最近的作品融合了大量的科学数据和一些生物学过程。恰巧，Gruebele院士也是一位音乐家，他建造了自己的管风琴并将其用于自身的音乐创作。将科学事物音乐化的想法让他们产生了共鸣，并为之进行了好几年的合作。Scaletti用她名下的的公司Symbolic Sound开发了一个名为Kyma的数字音频软件和声音设计系统，该系统正被许多音乐家和研究人员使用，包括Taylor。
如图：蛋白质的结构参数被编码成声音，其移动过程中的折叠、展开或错误折叠过程表现则产生了一个音高不同的声音波形。音色、音调、响度和其他参数可以根据输入的数据进行变化，以代表蛋白质的不同特征。Scaletti制作了一个配音动画，用以简要说明蛋白质的折叠过程。Gruebele和Taylor用该动画来向学生介绍折叠过程中的那些关键概念，并测试该动画是否有助于学生们的理解。他们发现，将蛋白质音乐化这一举动间接加强了其结构的可视化。即使对专家们来说，音乐化也有助于提高他们对蛋白质折叠和错误折叠的理解程度。这个三人小组在《化学教育杂志》上描述了他们用音乐辅助教学的过程。
DOI: 10.1021/acs.jchemed.1c00857
Gruebele和他的研究团队使用超级计算机对蛋白质折叠成特定结构这一复杂过程进行模拟。模拟显示了蛋白质在折叠过程中的多种途径，也显示了它们如何折叠错误或卡在错误的形状中——学界认为，这些错误与一些疾病有关，例如阿茨海默症和帕金森症。
研究人员利用模拟数据来深入了解这一过程。据Gruebele说，几乎所有的数据分析都是以可视化的形式完成的，但是用计算机模拟出的大量数据可能极其难以可视化：它们包含了数十万个变量和数百万个时间戳。
Scaletti说："在数字音频中，一切都是数据流，所以实际上，我们把数据流当作数字录音来听是很合理的。你可以听到一些看不见的东西：在数据库中的信息量如此巨大，总有一些东西是会被忽视的，但你可以用声音的形式将它们播放出来。"
例如，当蛋白质折叠时，它会被水分子包围，而水分子对折叠的过程至关重要。Gruebele想要知道水分子接触并将蛋白质溶解的具体时间点，但事实是，有5万个水分子在移动，其中只有一两个对溶解起到了关键的作用，以传统方法观测的话，这无异于大海捞针。然而，如果每次水分子接触到一个特定的氨基酸时，就会出现一个特殊声音的话，Gruebele就能轻易找到他想要的时间点。
Taylor认为，音乐家高度发达的音感有助于创造“利用声音来挖掘信息”的绝佳工具："这是利用音乐和声音来帮助我们理解世界的新方式。我想音乐家可以在这一过程中发挥重要作用。与此同时，我也在努力成为一个更好的音乐家，在以不同的方式思考声音如何以不同的方式与整个世界联系，甚至是微观世界。"
水木视界丨iss. 9
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