Pourquoi les scientifiques transforment les molécules en musique | Science

Mark Temple, un biologiste moléculaire médical, passait une grande partie de son temps dans son laboratoire de l’Université Western Sydney en Australie à rechercher de nouveaux médicaments pour le traitement du cancer. Il extrayait l’ADN des cellules, le mettait dans de petits tubes, puis ajoutait un médicament pour voir où il se liait le long de la séquence chimique. Avant d’introduire le médicament, il regardait les combinaisons d’ADN sur un écran pour voir ce qui fonctionnerait le mieux pour l’expérience, mais la lecture visuelle des séquences était souvent écrasante.

Alors Temple s’est demandé s’il existait un moyen plus simple de détecter des modèles favorables.

“J’ai compris que je voulais écouter la séquence », explique Temple, qui est également musicien. “Vous savez, la combinaison d’une sorte d’affichage audio et d’un affichage visuel est beaucoup plus puissante que l’un ou l’autre isolément.”

Il a lancé son propre système d’attribution de notes aux différents éléments de l’ADN – l’ADN humain est composé de quatre bases distinctes, il était donc facile de commencer avec quatre notes – et a fait une petite mélodie à partir de ses tubes à essai. Cette astuce l’a en effet aidé à mieux repérer les modèles dans les séquences, dit-il, ce qui lui a permis de faire de meilleurs choix sur les combinaisons d’ADN à utiliser.

Temple n’est pas la première personne à transformer des données scientifiques en son. Au cours des 40 dernières années, les chercheurs sont passés de l’exploration de cette astuce comme moyen amusant de repérer des modèles dans leurs études à l’utiliser comme guide de découverte. Certains scientifiques transforment ces sons en chansons qui, selon eux, peuvent être thérapeutiques, tandis que d’autres imaginent un avenir où les sons peuvent être modifiés et rétro-conçus pour créer de nouveaux matériaux.

Les premières expériences dans lesquelles les scientifiques ont transformé des données biologiques en sons ont commencé au début des années 1980. Aux États-Unis, David Deamer, aujourd’hui ingénieur biomoléculaire à l’Université de Californie à Santa Cruz et pianiste, raconte qu’il parlait avec un ami chercheur lorsqu’il a remarqué pour la première fois que trois des quatre bases de l’ADN correspondent à des lettres qui correspondent également à des notes de musique : A, G et C. Il a décidé d’attribuer la note “E” à la base “T” et a commencé à jouer les notes au piano, pour se rendre compte que certaines de ces combinaisons représentent en fait deux accords sur le gamme musicale—do majeur 6e ou la mineur 7e. Plus tard, il a réuni quelques collègues et a composé des mélodies à partir de ces notes, aboutissant à une cassette qu’ils ont intitulée “DNA Suite”. Il s’agissait d’environ une demi-heure de musique basée sur le gène de l’insuline humaine et certaines séquences d’ADN bactérien. Le 3 août 1982, Deamer est apparu sur “Walter Cronkite’s Universe” sur CBS et a joué ses chansons ADN au piano.

Entre-temps, en France, le médecin et compositeur Joël Sternheimer faisait quelque chose de similaire. Il développait un cadre ancré dans la physique pour transcrire les fréquences vibrationnelles associées à chacun des 20 acides aminés qui composent les protéines en notes de musique pour une partition.

Depuis lors, des experts de divers domaines ont “sonifié” des virus, des hormones, des protéines, des toiles d’araignées et même des flammes, en utilisant une variété de techniques sur le spectre entre ce que Deamer et Sternheimer ont utilisé. Certains ont même transformé leurs efforts en entreprises commerciales. Le compositeur Stuart Mitchell a fondé la startup Your DNA Song qui utilise une méthode de sonification pour transformer les informations génétiques d’un individu en une mélodie personnalisée.

La communauté scientifique s’est rendu compte qu’il y a une certaine valeur à long terme dans ce type de travail. Temple, qui à partir de cette première expérience a créé son propre logiciel algorithmique pour convertir les données en son, pense que la musique résultante peut être utilisée pour améliorer la recherche et la communication scientifique.

“Parfois, nous avons des milliers de points de données provenant d’expériences, ce qui est assez difficile à regarder, mais si vous pouvez diffuser ces points de données en audio, vous pouvez les scanner rapidement et écouter les valeurs aberrantes et écouter les changements dans les données”, dit Temple. Il mentionne des recherches dans lesquelles des chercheurs ont réussi à sonifier des signaux d’électrocardiographie afin de diagnostiquer des maladies cardiaques : des cardiologues formés ont pu détecter des anomalies avec une précision de 78 % après une courte formation avec la technique de sonification.

La propre méthode de Temple consiste à attribuer à chaque “base” d’ADN individuelle – les quatre éléments constitutifs de l’ADN humain, également connus sous le nom de nucléotides, étiquetés avec les lettres A, C, T, G – une note de musique. Il prend ensuite des paires de bases suivantes et les mappe à une collection de notes légèrement plus large. Enfin, il prend des triplets de bases – qui, dans l’ADN, sont responsables de la conversion des acides aminés – et les cartographie également en notes. Ce système produit une série de notes empilées, qui peuvent être interprétées comme des accords. Joués en séquence, les accords font de la musique, dit-il, dans un processus très similaire à la méthode Deamer.

“L’ADN est lu dans la cellule par des protéines qui se déplacent physiquement le long de la séquence d’ADN dans une direction, du début à la fin”, explique Temple. “C’est comme une tête de lecture lisant une cassette du début à la fin.”

Pendant la pandémie, Temple a décidé d’ajouter des couches de son pour transformer la sonification en chansons. Il voit une nette différence entre « sonification » et « musification ». L’utilisation du son pour représenter des données est empirique et scientifique, mais très différente de l’utilisation d’un apport créatif pour créer des chansons. Les notes de musique de l’ADN peuvent être mélodiques pour l’oreille humaine, mais elles ne ressemblent pas à une chanson que vous écouteriez à la radio.

Ainsi, lorsqu’il a essayé de sonifier l’ARN du coronavirus, il a ajouté des couches de batterie et de guitare, et a demandé à des amis musiciens d’ajouter leur propre musique pour transformer le virus en une chanson post-rock à part entière.

Temple considère ce travail comme un outil de communication efficace qui aidera un public général à comprendre les systèmes scientifiques complexes. Il a interprété ses chansons en public dans des salles de concert en Australie.

“Il y a des applications scientifiques ringardes que les gens ont faites, mais pensez-y aussi en termes de sensibilisation”, dit-il. “Essayer de faire passer des idées scientifiques dans un cadre public pour attirer les gens.”

Il n’est pas le seul à le penser.

Des recherches récentes publiées dans le Journal de l’éducation chimique par un groupe de scientifiques de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign vise à expliquer les étapes de l’utilisation de la sonification dans une salle de classe. Les scientifiques fournissent des supports de cours, des devoirs et des exemples sonores et vidéo pour expliquer aux adolescents comment les protéines se replient.

De même, Linda Long, biochimiste à l’Université d’Exeter au Royaume-Uni, a développé une exposition éducative interactive pour enseigner aux jeunes le corps humain. L’exposition, qui s’est déroulée pendant 12 ans au centre scientifique transfrontalier de Bristol, a utilisé un écran tactile musical interactif pour associer des sons instrumentaux à des protéines communes présentes dans le corps.

“Le potentiel de la musique pour offrir aux gens un moyen simple et inclusif de se connecter et de s’engager émotionnellement avec la science, la nature et les éléments constitutifs mêmes de la vie qui composent leur corps est excitant et inspirant”, déclare Long.

Long attribue des sons aux protéines – ce qui est transcrit à partir de l’ADN – en fonction de leur forme. Elle utilise une technique appelée cristallographie aux rayons X dans laquelle une protéine est littéralement cristallisée puis radiographiée pour voir sa structure dans les moindres détails. Ce processus produit des chaînes de nombres représentant la structure tridimensionnelle de la molécule de protéine. En faisant passer ces nombres dans un programme informatique, elle les convertit en une séquence de notes musicales. Ainsi, vous pouvez réellement “entendre” les formes des protéines, explique Long. Les hélices dans les formes protéiques, par exemple, peuvent être entendues comme des arpèges – les notes d’un accord joué en séquence.

Long a traduit les protéines végétales en musique dans un album, Musique des Plantes, et a traduit les hormones humaines dans un album de musique, Musique du corps, aussi bien.

“Je suis particulièrement intéressé par l’utilisation de la musique moléculaire pour renforcer la connexion corps-esprit et pour explorer les avantages thérapeutiques qui en découlent”, déclare Long. Elle pense que les chansons peuvent engager le subconscient de l’auditeur, favorisant un état d’esprit optimal pour l’auto-guérison et la thérapie.

Par exemple, elle travaille sur l’enregistrement d’une série de morceaux de musique moléculaire conçus pour être utilisés dans des séances d’hypnothérapie pour aider les patients à perdre du poids, en utilisant de la musique traduite à partir de l’iricine, une hormone qui brûle les graisses. Et elle produit cinq morceaux de musique traduits à partir des anticorps humains qui neutralisent le coronavirus.

“Mon intention est que la musique soit utilisée pour aider les gens à visualiser un système immunitaire résilient, afin d’aider à réduire tout sentiment de peur et d’anxiété qu’ils pourraient ressentir en relation avec la pandémie de Covid”, a déclaré Long. Aucun essai clinique n’a encore été réalisé en utilisant la musique de Long comme intervention thérapeutique.

Carla Scaletti, technologue en musique et membre du Biophysics Sonification Group de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign, note qu’il est impossible pour l’instant de dire si le travail de Long a des propriétés thérapeutiques cliniquement pertinentes. “Bien que je sois sceptique”, déclare Scaletti. “Je reste ouvert à la lecture et à l’évaluation d’un article évalué par des pairs rapportant les résultats d’un essai clinique lorsqu’ils décident d’en faire un.”

Scaletti dit que les sons et la musique peuvent avoir des effets profonds sur nous, et de nombreuses personnes sont aptes à s’auto-administrer les bons sons ou la musique dont elles ont besoin pour se calmer, marcher au combat ou s’endormir. Mais cela ne signifie pas automatiquement que l’écoute d’une traduction d’une structure protéique 3D sous la forme d’une séquence de tons pourrait conférer les propriétés antivirales de la protéine d’origine, par exemple.

Markus Buehler, ingénieur en matériaux au Massachusetts Institute of Technology et également musicien et compositeur, pense que le croisement entre les molécules et la musique va encore plus loin que la « musicothérapie ». Il dit que nous pourrions potentiellement utiliser la musique pour créer de nouveaux traitements.

Son laboratoire au MIT a étudié la sonification des molécules en capturant leurs vibrations. Comme les atomes vibrent constamment, il a « enregistré » leurs propriétés. Puis, grâce à un programme informatique, il transforme ces mini-vibrations en sons audibles pour l’oreille humaine.

L’année dernière, son équipe a sonifié une toile d’araignée en une étrange mélodie de bruissements et a transformé la vibration d’une flamme en une réverbération de gongs de type méditation. Buehler soutient que parce que tout vibre, nous pouvons utiliser n’importe quoi comme instrument.

“Bien sûr, nous avons besoin de la technologie pour exploiter ces informations, nous ne pouvons pas littéralement prendre un arbre ou un feu et en faire de la musique”, déclare Buehler. “Vous devez utiliser les technologies et la théorie mathématique pour ce faire, mais maintenant vous avez un moyen d’utiliser une flamme comme instrument de musique… vous pouvez interagir avec elle en tant qu’humain.”

Buehler a également travaillé le système dans l’autre sens. Il a converti la musique en protéines entièrement nouvelles, jamais trouvées auparavant dans la nature. Par exemple, il a récemment converti une variation du Goldberg de Bach en nouvelles protéines. Il dit qu’il peut même aller jusqu’à transformer une protéine en musique, puis à travers la musique – peut-être en ajoutant un riff ici et là – améliorer la protéine pour qu’elle soit une meilleure variation d’elle-même.

Sur le plan de l’évolution, se demande-t-il, qui sait où cela se situe ? Peut-être que son système pourrait créer une protéine qui s’avère être un substitut à la viande, ou une protéine à partir de laquelle il est possible de synthétiser un nouveau médicament. Maintenant, par exemple, Buehler recherche une protéine pour prolonger la durée de conservation des aliments périssables.

Buehler pense que puisque la créativité a conduit à des variétés de musique aussi complexes au fil des ans – du classique à la techno – peut-être que cette créativité pourrait être traduite d’une expérience immatérielle et agréable en connaissances scientifiques pour créer quelque chose de physique. Comme si dans ces mélodies complexes, il y avait des formules cachées pour créer de nouveaux matériaux.

« En fait, la musique a beaucoup à offrir à la communauté scientifique. Nous n’avons pas encore vraiment exploité toutes ces données », déclare Buehler.