卵白质或其他分子这样的小纳米物体，险些构成了所有的生命物质，包罗细胞、组织以及病毒、病原体，考察它们一样平常需要高精尖的科学仪器。不外，现在又多了一种新颖的显示形式，我们可以“听”到它们。

Markus J. Buehler（马库斯 J. 布勒）是麻省理工学院的 McAfee 工程学教授，同时也是一位实验音乐、古典音乐和电子音乐的作曲家。他对声波研究很感兴趣，其作品接纳一种被称为“质料音乐”的方式，例如从生物质料和生命系统中衍生出来的音乐显示形式，以此来更好地明白基础科学和数学。

他的研究之一是将音乐和声音设计作为一种新颖而抽象的方式，从下到上对事物举行建模、优化和缔造新的形式，并评估跨系统设计之间的关系。在最近的工作中，他开发了一个新的框架，基于卵白质以及其他物理现象来创作音乐，以探索差别物种、差别尺度以及物理模子之间的异同。当前，新冠疫情在美国暴发，Buehler 将注意力转向了 COVID-19 的刺突卵白，正是这种卵白使新型冠状病毒具有云云强的传染性。

他和他的同事试图通过基于病原体刺突卵白的声谱来展现其振动特征，这可能是研究病毒的一个新方式。把 COVID-19 转化为声音后，听起来不像我们想象的那么致命，就像病毒诱骗我们的细胞一样，音频如下：

图｜新冠病毒转化成的音频（泉源：soundcloud）

这曲音乐时长约 1 小时 50 分钟，与一场古典音乐会的时间差不多。它展现出一些关于生命和殒命作为对立极之间的玄妙关系。

病毒基因组挟制宿主细胞的卵白质制造机制，迫使宿主细胞复制病毒基因组并发生病毒卵白质，从而从中制造新病毒。当你“听“病毒卵白质的时刻，你会发现庞大的设计会发生令人难以置信的有趣的、令人放松的声音，并没有转达出这种卵白质对天下的致命影响。音乐作为这种病毒的一种显示形式，同样具有很强的诱骗性子。

把病毒谱成“曲子”是若何做到的？Buehler 团队开发了一种将氨基酸序列翻译成音乐作品的自洽声波方式，并基于人工智能技术用于卵白质设计。

我们听到 COVID-19 的“音乐“是一个多层的算法组合，包罗整个卵白质的振动光谱（以声音和节奏元素表达）、组成病毒刺突卵白结构的氨基酸序列和折叠，以及交织在一起的旋律――形成对位音乐――反映卵白质庞大的条理交织几何学。

图｜将 COVID-19 刺突卵白翻译成声音，以可视化其振动特征，这有助于找到阻止病毒的方式（泉源：MIT News）

这种研究方式凭据卵白质氨基酸组成模块的正常模式振动，来盘算 20 种自然氨基酸中每一种的听觉表达，这完全由其各自自然振动的叠加来界说。遵照换位等效的音乐观点，振动频率会转换为可听频谱，以某种方式播放或编写音乐，使之听起来音高或低，同时保留演奏的音调或和弦之间的关系。

这种转置方式可确保每个氨基酸内部以及差别氨基酸之间的振动频率的相对值，与每种氨基酸相关的特征频谱和声音代表一种由 20 种音调组成的音乐音阶，即“氨基酸音阶”。为了建立一种可演奏的乐器，将与氨基酸相关的每个音调分配给钢琴卷上的特定琴键，这使我们能够将卵白质中的氨基酸序列映射为曲谱。

为了反映卵白质的高级结构细节，与每个氨基酸相关的音符的音量和持续时间由卵白质的二级结构界说，使用 DSSP 盘算得出，从而引入音乐节奏。然后，研究人员基于通过此超声处置方式天生的大量曲谱来训练循环神经网络，并使用 AI 天生乐曲，捕捉氨基酸序列与卵白质结构之间的固有关系。

本研究提出的方式也可为明白序列模式、变异和突变提供途径，并提供一种扩展机制来注释卵白质序列的重要性。该方式还可以提供卵白质折叠的看法，并在界说卵白质的二级和高阶折叠结构时领会氨基酸序列的靠山，因此可用于检测声音的突变影响。

图｜把氨基酸特征频谱转化为音阶（泉源：ACS）

用“音乐”来显示新冠病毒有什么现实用处？

Buehler 在接受采访时示意，我们的大脑善于处置声音，一次扫描，我们的耳朵就会听到其所有条理特征：音高、音色、音量、旋律、节奏，以及和弦。而要想在图像中看到相同的细节，则需要一台高分辨率显微镜才行，而且永远无法一次看到所有细节。据此 Buehler 以为，声音是一种接见卵白质中存储的信息的绝佳方式。

通常，声音是通过振动某种质料制成的，而音乐则是通过将声音按条理排列的方式制成的。借助 AI，我们可以连系这些观点，并使用分子振动和神经网络来构建新的音乐形式。我们一直在研究将卵白质结构转变为可听见的示意形式，并将这些示意形式转换为新质料的方式。

从长远来看，将卵白质转化为声音为科学家提供了另一种明白和设计卵白质的工具。例如，纵然很小的突变也可以限制或增强 COVID-19 的致病力，通过超声转化处置，我们还可以对照其刺突卵白与以前的冠状病毒（如 SARS 或 MERS ）的生化历程。

基于这种“音乐“创作，研究人员还能剖析熏染宿主的刺突卵白的振动结构，领会这些振动模式对于药物设计及其他针对病毒的抵御措施至关重要。举例来说，这种振动可能会随着温度的升高而转变，它们还可以告诉我们，为什么 COVID-19 比其他病毒更容易侵入人体细胞，Buehler 和团队还在举行研究以探讨这些问题。

“我们也可能使用组合方式来设计攻击病毒的药物。我们可以搜索一种新卵白，该卵白与能够连系到刺突卵白的抗体的旋律和节奏匹配，从而滋扰其熏染能力。”Buehler 说。

-End-

参考：

https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acsnano.9b02180

https://news.mit.edu/2020/qa-markus-buehler-setting-coronavirus-and-ai-inspired-proteins-to-music-0402

https://soundcloud.com/user-275864738/viral-counterpoint-of-the-coronavirus-spike-protein-2019-ncov