Giai điệu bí ẩn của mỗi phân tử: Mật mã của tạo hóa?

Từ lâu, các nhà thơ nhà văn đã coi âm nhạc là ngôn ngữ của tình yêu. Các nhà khoa học hiện cho rằng âm nhạc có thể được sử dụng làm ngôn ngữ của hóa học, hay nói chính xác hơn là ngôn ngữ của cấu trúc phân tử.

Trong một bài báo in sẵn được xuất bản trên ChemRxiv, các nhà nghiên cứu từ Đại học Michigan đã trình diễn một kỹ thuật chuyển đổi cấu trúc phân tử của các phân tử hữu cơ thành các tác phẩm âm nhạc. Đây không chỉ là sự tương tác hấp dẫn giữa khoa học và nghệ thuật, nó còn hữu ích vì âm nhạc là định dạng mà con người cũng như máy móc đều có thể tiếp nhận được.

Đại diện cao độ

Từ các bài học hóa học ở trường trung học, bạn có thể nhớ việc vẽ các phân tử hữu cơ dưới dạng các vòng và chuỗi sắp xếp phức tạp. Biểu diễn sơ đồ phân tử, như đã biết, là một cách tuyệt vời để hình dung các phân tử. Nhìn lướt qua sẽ cho bạn biết loại phân tử và các đặc điểm xác định của nó.

Tuy nhiên, máy tính phân tích cú pháp văn bản tốt hơn nhiều so với diễn giải từ trực quan. Đây là lý do tại sao các nhà hóa học chuyên nghiệp thường sử dụng các định dạng văn bản để thể hiện các phân tử. Các định dạng này có những cái tên ngộ nghĩnh như SMILES và SMART, và chúng mã hóa các cấu trúc hóa học dưới dạng các chuỗi chữ cái và chữ số dài.

Benzen, một hợp chất hữu cơ mạch vòng có 6 cặp nguyên tử carbon và hydro, được vẽ phổ biến nhất dưới dạng một vòng hình lục giác. So sánh điều đó với cách phân tử dạng vòng được viết ở định dạng mà máy có thể đọc được. Tùy thuộc vào định dạng tệp hóa học cụ thể, các nhà hóa học viết benzen là c1ccccc1 hoặc C1=CC=CC=C1hoặc C[1]H:CH:CH:CH:CH:CH:@1.

Những phiên âm này chỉ ra trật tự của 12 nguyên tử, nhưng chúng là vô nghĩa đối với con người chúng ta, hoặc ít nhất là đối với hầu hết chúng ta. Nó chỉ trở nên kỳ lạ hơn với các phân tử có nhiều liên kết từ nhiều nguyên tử hơn. Không điều nào trong số này truyền cảm hứng cho trí tưởng tượng của một nhà hóa học tò mò giống như cách mà các hình ảnh kiểu sơ đồ cấu trúc. Tuy nhiên, nó lại là một định dạng chặt chẽ hơn nhiều để truyền thông tin hóa học: Một sơ đồ cấu trúc phức tạp khi được vẽ có thể lấp đầy toàn bộ bảng đen nhưng chỉ mất vài chục ký tự để biểu diễn.

Một phương tiện kết hợp mật độ thông tin của các định dạng ký tự này với khả năng truy cập của các biểu diễn trực quan sẽ đánh đúng ghi chú. Và đó là lý do tại sao các nhà hóa học đang chuyển sang âm nhạc. Âm nhạc không chỉ là một phương tiện được yêu thích mà còn có chiều sâu: Mỗi giây của một bài hát đều có cao độ, giai điệu và nhịp điệu riêng.

Dịch các phân tử thành giai điệu âm nhạc

Kỹ thuật được mô tả trong bản in trước được gọi là siêu âm phân tử. Nói một cách đơn giản, đó là việc sử dụng âm thanh để truyền tải dữ liệu phân tử. Nó là một lớp nhỏ của siêu âm hóa dữ liệu, một công nghệ đã được sử dụng để phát hiện bệnh tim, theo dõi các sao neutron và cải thiện việc phân tích dữ liệu cao độ.

Phương pháp được báo cáo trong bản in trước đây bắt đầu bằng cách gán các phím nhạc cho các phân tử dựa trên các đặc tính hóa lý của phân tử. Thuật toán mã hóa tính tổng các thuộc tính như khối lượng phân tử, liên kết hydro và hệ số phân vùng, đồng thời chuyển các thuộc tính này thành một trong 12 phím nhạc chính. Sự sắp xếp của các nguyên tử quyết định giai điệu của tác phẩm. Quá trình giải mã đảo ngược các bước, tạo ra chìa khóa cho mỗi cấu trúc hóa học.

Để khám phá mức độ hữu ích của các thuật toán, các tác giả sau đó đã kiểm tra xem các phân tử đáp ứng các quy tắc của Lipinski có âm thanh khác với những phân tử không đáp ứng hay không. Các quy tắc của Lipinski là một bộ 4 hướng dẫn, ít nhất 3 trong số đó phải được đáp ứng trong tất cả các hợp chất thuốc có hoạt tính dùng đường uống. Những điều kiện này mô tả một số đặc điểm hóa lý của các phân tử, chẳng hạn như khối lượng của chúng hoặc số chất nhận liên kết hydro của chúng.

Các giai điệu cho hai bộ phân tử khác nhau rõ rệt. Các phân tử có tính chất hóa học tương tự biến thành các giai điệu được đặt trong những phím âm nhạc tương tự. Các nhà nghiên cứu đằng sau nghiên cứu cũng tạo ra các phân tử mới bằng cách tạo giai điệu mới trên bàn phím, cũng như bằng cách sử dụng các mô hình AI âm nhạc.

Cuối cùng, một nhóm sinh viên đại học được yêu cầu xác định những giai điệu có âm hưởng giống với 4 giai điệu thử nghiệm. Đối với 3 trong số này, hầu hết sinh viên chọn những giai điệu được tạo ra từ những phân tử giống nhau nhất về mặt hóa học.

Lợi ích cuối cùng là gì?

Âm nhạc có khả năng diễn giải cao, và nó cũng khuyến khích tính tương tác và sáng tạo. Việc sử dụng nó mở ra những cách mới cho học sinh học các khái niệm trong hóa học. Hãy tưởng tượng điều khiển các cấu trúc hóa học bằng cách chơi những nhạc cụ hoặc phần mềm âm nhạc.

Hơn nữa, quá trình siêu âm phân tử làm cho cấu trúc của các phân tử có thể tiếp cận được đối với các nhà hóa học và sinh viên khiếm thị. Là một công cụ hiệu quả để thay thế giác quan từ thị giác sang thính giác, nó mang lại niềm vui lắp ráp các mô hình nguyên tử và phân tử cho những người khiếm thị.

Trong những năm gần đây, những mô hình AI đã trở nên nổi bật trong thiết kế và phát triển thuốc và các hóa chất khác. Quá trình siêu âm phân tử có thể tinh chỉnh các mô hình này để tìm ra các hóa chất mong muốn nhanh hơn. Chẳng hạn, trong một nghiên cứu thiết kế protein, các nhà nghiên cứu đã chuyển đổi các chuỗi protein thành tác phẩm âm thanh và sử dụng AI để ánh xạ các mẫu âm nhạc tới cấu trúc protein. Việc tạo những tác phẩm âm thanh mới và dịch chúng trở lại các chuỗi protein đã tạo ra các protein mới.