März 29, 2024

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Musiker und Chemiker aus Illinois nutzen Klang, um die Wissenschaft besser zu verstehen | Rechnen

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Musiker und Chemiker aus Illinois nutzen Klang, um die Wissenschaft besser zu verstehen |  Rechnen

Musiker helfen Wissenschaftlern bei der Analyse von Daten, lehren die Proteinfaltung und machen neue Entdeckungen durch Klang.

Carla Scaletti, CS-Absolventin aus Illinois, ganz rechts auf einem Gruppenfoto mit zwei anderen – draußen und vor einem Backsteingebäude.
Der Musiklehrer und Komponist aus Illinois, Stephen Andrew Taylor, der Chemielehrer und Biophysiker Martin Gruebele, und Carla Scaletti, Absolventin aus Illinois, Komponistin und Softwaredesignerin, verwenden Geräusche, um biochemische Prozesse zu beschreiben und besser zu verstehen.

Ein Forscherteam der University of Illinois in Urbana-Champaign nutzt die Sonifikation – die Verwendung von Schall zur Übermittlung von Informationen – um biochemische Prozesse zu beschreiben und besser zu verstehen, wie sie ablaufen.

Die Musik Lehrer und Komponist Stephen Andrew Taylor; Chemie Professor und Biophysiker Martin Grübele; und Illinois Music and Computer Science Alumnus, Komponist und Softwaredesigner Carla Scaletti (MS ’88) gründete die Biophysics Sonification Group, die sich seit Beginn der Pandemie wöchentlich auf Zoom trifft. Die Gruppe experimentierte mit der Verwendung von Sonifikation in Gruebeles Forschung zu den physikalischen Mechanismen der Proteinfaltung, und ihre Arbeit führte Gruebele kürzlich zu einer neuen Entdeckung darüber, wie sich ein Protein falten kann.

Taylors musikalische Kompositionen sind seit langem von der Wissenschaft beeinflusst, und neuere Werke zeigen wissenschaftliche Daten und biologische Prozesse. Gruebele ist auch ein Musiker, der seine eigene Pfeifenorgel gebaut hat, die er spielt und zum Komponieren von Musik verwendet. Die Idee, gemeinsam an der Sonifikation zu arbeiten, gefiel ihnen und sie arbeiten seit mehreren Jahren zusammen. Über seine Firma Symbolic Sound Corp. entwickelt Scaletti digitale Audiosoftware und ein Hardware-Sounddesignsystem namens Kyma, das von vielen Musikern und Forschern, einschließlich Taylor, verwendet wird.

Scaletti erstellte eine animierte Visualisierung, gepaart mit Ton, die einen vereinfachten Proteinfaltungsprozess veranschaulicht, und Gruebele und Taylor verwendeten sie, um die Schüler in die Schlüsselkonzepte des Prozesses einzuführen und zu beurteilen, ob sie ihr Verständnis unterstützten. Sie fanden heraus, dass die Sonifikation Visualisierungen ergänzte und verstärkte und dass sie sogar für Experten dazu beitrug, die Intuition zu verbessern, wie sich Proteine ​​im Laufe der Zeit falten und fehlfalten. Die Biophysical Sonification Group – zu der auch der Chemieprofessor Taras Pogorelov, die ehemalige (jetzt ehemalige) Chemie-Doktorandin Meredith Rickard, der Komponist und Pfeifenorganist Franz Danksagmüller von der deutschen Musikhochschule Lübeck und der Absolvent der Elektro- und Computertechnik aus Illinois, Kurt Hebel von Symbolic Sonner, gehören – Verwendung von Sonifikation im Unterricht beschrieben in dem Zeitschrift für chemische Bildung.

Gruebele und sein Forschungsteam verwenden Supercomputer, um Simulationen von Proteinen durchzuführen, die sich zu einer bestimmten Struktur falten, ein Prozess, der auf einem komplexen Muster vieler Wechselwirkungen beruht. Die Simulation zeigt die vielfältigen Wege, die Proteine ​​nehmen, wenn sie sich falten, und zeigt auch, wenn sie sich falsch falten oder in der falschen Form stecken bleiben – etwas, von dem angenommen wird, dass es mit einer Reihe von Krankheiten wie Alzheimer und Parkinson in Verbindung steht.

Forscher verwenden Simulationsdaten, um den Prozess besser zu verstehen. Fast die gesamte Datenanalyse erfolgt visuell, sagte Gruebele, aber riesige Datenmengen, die durch Computersimulationen generiert werden und Hunderttausende von Variablen und Millionen von Zeitpunkten darstellen, können sehr schwer zu visualisieren sein.

„Alles im digitalen Audio ist ein Strom von Zahlen, daher ist es nur natürlich, einen Strom von Zahlen zu nehmen und ihn so anzuhören, als wäre es eine digitale Aufnahme“, sagte Scaletti. „Sie können Dinge hören, die Sie nicht sehen würden, wenn Sie sich eine Liste mit Zahlen ansehen würden, und Sie würden auch nicht sehen, wenn Sie sich eine Animation ansehen würden. Es passiert so viel, dass vielleicht etwas verborgen ist, aber Sie können es mit Ton hervorheben.

Wenn sich das Protein beispielsweise faltet, ist es von Wassermolekülen umgeben, die für den Prozess unerlässlich sind. Gruebele sagte, er wolle wissen, wann ein Wassermolekül auf ein Protein trifft und es solvatisiert, aber „es bewegen sich 50.000 Wassermoleküle herum, und nur ein oder zwei tun etwas Entscheidendes Jedes Mal, wenn ein Wassermolekül eine bestimmte Aminosäure berührt, wäre es leicht zu hören.

Taylor und Scaletti verwenden verschiedene Audio-Mapping-Techniken, um Aspekte von Proteinen mit Klangparametern wie Tonhöhe, Klangfarbe, Lautstärke und Pan-Position zu verknüpfen. Zum Beispiel verwendet Taylors Arbeit verschiedene Orte und Instrumente, um jede einzigartige Aminosäure sowie ihre hydrophoben oder hydrophilen Eigenschaften darzustellen.

„Ich habe versucht, unsere Bauchreaktionen zu nutzen, um so gut wie möglich zu klingen“, sagte Taylor. „Beethoven sagte: ‚Je tiefer die Strömung, desto tiefer der Ton.‘ Wir erwarten, dass ein Elefant einen tiefen Ton macht, weil er groß ist, und wir erwarten, dass ein Spatz einen hohen Ton macht, weil er klein ist. Bestimmte Arten von Abbildungen sind in uns eingebettet. So viel wie möglich können wir davon profitieren und es hilft, effektiver zu kommunizieren. »

Die hochentwickelten Instinkte der Musiker tragen dazu bei, das beste Werkzeug für die Verwendung von Klang zur Übermittlung von Informationen zu entwickeln, sagte Taylor.

„Es ist eine neue Art zu zeigen, wie Musik und Sound uns helfen können, die Welt zu verstehen. Musiker spielen eine wichtige Rolle“, sagte er. „Es hat mir geholfen, ein besserer Musiker zu werden, auf unterschiedliche Weise über Klang nachzudenken und darüber nachzudenken, wie Klang auf unterschiedliche Weise mit der Welt in Beziehung stehen kann, sogar mit der Welt von Kleinkindern.“


Sehen die ursprüngliche Geschichte vom Illinois Press Office.

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