Những đứa trẻ nghiên cứu Sinh học đã khiến cho các protein hát những giai điệu giống như Chopin

Với chương trình máy tính đúng, protein trở thành âm nhạc dễ nghe.

Có nhiều sự tương đồng đáng ngạc nhiên giữa protein, những khối xây dựng cơ bản của sự sống, và ký hiệu âm nhạc. Những tương đồng này không chỉ giúp tiến bộ nghiên cứu mà còn làm cho sự phức tạp của protein trở nên dễ tiếp cận với công chúng.

Chúng tôi là những nhà Sinh học tính toán tin rằng việc nghe âm thanh của sự sống ở cấp phân tử có thể giúp truyền cảm hứng cho mọi người học thêm về Sinh học và khoa học máy tính. Trong khi tạo ra âm nhạc dựa trên protein không mới, thì các phong cách âm nhạc và thuật toán soạn nhạc khác nhau chưa được khám phá. Vì vậy, chúng tôi dẫn đầu một đội ngũ gồm học sinh trung học và những học giả khác để tìm hiểu cách tạo ra âm nhạc cổ điển từ protein.

Tương đồng âm nhạc của protein

Protein có cấu trúc giống như chuỗi gập lại. Những chuỗi này được tạo thành từ các đơn vị nhỏ của 20 axit amin có thể, mỗi cái được đánh dấu bằng một chữ cái trong bảng chữ cái.

Chuỗi protein cũng có thể gập thành những hình mẫu sóng và cong với các điểm cao, thấp, xoay và vòng lặp. Tương tự, âm nhạc bao gồm sóng âm với âm cao và thấp, với nhịp độ thay đổi và những đoạn nhạc lặp lại. Chuỗi protein có thể được biểu diễn như một chuỗi các chữ cái này, rất giống như một chuỗi các ghi chú âm nhạc trong ký hiệu chữ cái.

Thuật toán chuyển đổi từ protein sang âm nhạc có thể ánh xạ các đặc điểm cấu trúc và vật lý hóa học của chuỗi axit amin sang các đặc điểm âm nhạc của chuỗi các nốt nhạc.

Nâng cao tính nhạc của ánh xạ protein

Ánh xạ từ protein sang âm nhạc có thể được điều chỉnh tinh tế bằng cách dựa trên các đặc điểm của một phong cách âm nhạc cụ thể. Điều này nâng cao tính nhạc hoặc điệu nhạc của bài hát khi chuyển đổi các tính chất của axit amin, như mẫu và biến thể chuỗi, thành các tính chất âm nhạc tương tự, như âm cao, độ dài nốt và hợp âm.

Trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi chọn đặc biệt âm nhạc đại diện cho thời kỳ cổ điển piano lãng mạn thế kỷ 19, bao gồm các nhà soạn nhạc như Chopin và Schubert, vì nó thường bao gồm một loạt rộng các nốt nhạc với các đặc điểm phức tạp hơn như chủ nghĩa màu, giống như việc chơi cả phím trắng và đen trên cây đàn piano theo thứ tự âm cao, và hợp âm. Nhạc từ thời kỳ này cũng thường có các nét nhẹ nhàng và duyên dáng và giai điệu cảm xúc hơn. Bài hát thường là đồng âm, có nghĩa là chúng theo một giai điệu trung tâm với âm thanh đệm. Những đặc điểm này cho phép chúng tôi thử nghiệm một phạm vi rộng hơn các nốt nhạc trong thuật toán ánh xạ protein sang âm nhạc của chúng tôi. Trong trường hợp này, chúng tôi chọn phân tích các đặc điểm của “Fantaisie-Impromptu” của Chopin để hướng dẫn sự phát triển của chương trình.

Để kiểm tra thuật toán, chúng tôi áp dụng nó vào 18 protein đóng một vai trò chính trong các chức năng sinh học khác nhau. Mỗi axit amin trong protein được ánh xạ vào một nốt nhạc cụ thể dựa trên tần suất xuất hiện của chúng trong protein, và các khía cạnh khác của sinh hóa học của chúng tương ứng với các khía cạnh khác của âm nhạc. Ví dụ, một axit amin có kích thước lớn sẽ có độ dài nốt ngắn hơn, và ngược lại.

Âm nhạc kết quả phức tạp, với sự biến đổi đáng chú ý về âm cao, âm lượng và nhịp. Vì thuật toán hoàn toàn dựa trên chuỗi axit amin và không có hai protein nào chia sẻ chuỗi axit amin giống nhau, mỗi protein sẽ tạo ra một bài hát riêng biệt. Điều này cũng có nghĩa là có sự biến đổi về tính nhạc qua các tác phẩm khác nhau, và có thể xuất hiện các mô hình thú vị.

Ví dụ, âm nhạc được tạo ra từ protein receptor kết hợp với hormone và neurotransmitter oxytocin có một chơi xổ số tài lặp lại do sự lặp lại của một số chuỗi nhỏ cụ thể của axit amin.

Ngược lại, âm nhạc tạo ra từ tumor antigen p53, một protein ngăn chặn sự hình thành ung thư, có đặc điểm rất màu sắc, tạo ra các đoạn nhạc hết sức hấp dẫn nơi âm nhạc nghe gần như toccata-like, một phong cách thường có kỹ thuật nhanh và điêu luyện.

Bằng cách hướng dẫn phân tích các tính chất của axit amin thông qua các phong cách âm nhạc cụ thể, âm nhạc protein có thể nghe dễ chịu hơn đối với tai. Điều này có thể được phát triển và áp dụng rộng rãi vào nhiều loại hình âm nhạc khác nhau, bao gồm pop và jazz.

Âm nhạc protein là một ví dụ về cách kết hợp giữa các khoa học sinh học và máy tính có thể tạo ra những tác phẩm nghệ thuật tuyệt vời. Hy vọng của chúng tôi là công việc này sẽ khuyến khích các nhà nghiên cứu sáng tác âm nhạc protein theo các phong cách khác nhau và truyền cảm hứng cho công chúng học về những khối xây dựng cơ bản của sự sống.

Nghiên cứu này được phát triển theo hợp tác với Nicole Tay, Fanxi Liu, Chaoxin Wang và Hui Zhang.

Bài viết của Peng Zhang, Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ về Sinh học Tính toán, Đại học Rockefeller và Yuzong Chen, Giáo sư Dược học, Đại học Quốc gia Singapore

Bài viết này được tái xuất bản từ The Conversation dưới giấy phép Creative Commons. Đọc bài viết gốc.