你的DNA都会玩摇滚了,你却还是个音痴

在KTV对朋友调侃道:“五音不全的你还非得做麦霸,哪儿来的自信!?”,谁知他却更加来劲儿地说:“骨子里来的!”。一直很佩服他这种“不要脸”的娱乐精神,后来发现他这种来自骨子里的自信不无道理,因为这自信来自基因。

我们知道DNA序列是由四个简单的字母AGCT(U)组成,1953年沃森和克里克发现了DNA的结构,随后基因测序技术实现了基因序列的可视化 (测序发展史:150年的风雨历程)。后来科学家在分析中想要突出显示某些关键元素,于是又开发了众多序列分析工具,利用颜色、字体或覆盖其他类型的信息来进一步实现可视化 (基因组浏览器是一个重要的可视化工具)。现在又为我们创造了另一种可能:音频

2017年4月澳大利亚悉尼大学分子生物学家(兼职鼓手)Mark TempletBMC Bioinformatics上发表了一篇关于“DNA听觉显示器”的工具DNA_SONIFICATION,能实现DNA序列的输入和音频输出。

该工具可以通过网站http://dnasonification.org/ 在线获得,给定一条DNA序列,它会将序列中的A、C、G、T转换为虚拟钢琴、吉他和风琴演奏的音符。在上传序列之后,用户可以精确地选择如何完成“音乐转录”。作者提出了六种算法,这些算法在逻辑上从简单到复杂。其中三种算法是将单个核苷酸核苷酸对密码子解析成音符,分别产生41664个音符。密码子也可以相对于遗传密码简并解析成20个音符,正如遗传密码将64个密码子映射到20个氨基酸一样。最后,核苷酸对可以被解析为两个独立的帧,或者密码子可以被解析为三个读取帧,从而产生多个音频流。

Algorithm

DNA motif size

Step range (notes)

Number of audio frames (instruments)

Silence on STOP codon Restart on START codon

Sonify occurrence of STOP/START

Reading frame codons

3 bp

20

3

optional

optional

Protein sequence

3 bp

20

1

no

optional

Tri-nucleotides

3 bp

64

1

no

optional

Di-nucleotide pairs

2 bp

16

2

no

no

Di-nucleotides

2 bp

16

1

no

no

Mono-nucleotides

1 bp

4

1

no

no

试想一下,当你在使用基因组浏览器来查看关键序列的时候,配上其对应的伴奏音乐,并且用户还能选择自己喜欢的音乐风格,这也许有助于我们对DNA序列的视觉理解。Temple确实联系了UCSC基因组浏览器开发团队,但因为这个音乐的分析意义不明确而被婉拒。

Temple提到,对于重复元素我们可能很难通过眼睛辨别其中细微的变化。在此作者列举了人类端粒的序列(真核生物染色体末端的一段高度重复序列),最开始 “声化”的序列听起来平淡且重复,但是直到它到达单碱基插入位点,此时音乐突然转变,好像音乐家受到了启发。

另外Temple通过一次播放所有三个阅读框架,并且声音突出启动和终止密码子,从而增加了一层分析价值。

除了Temple还有其他研究人员也编写过将DNA序列转换为音频的算法,并且现在有很多音乐创作者已应用这种算法将序列转换成了极富创造性的音乐作品。

极致交响曲

将DNA声化用于音乐创作并做到极致的莫属于芬兰。芬兰是一个内部反差强烈、追求极致的国度,四季与自然是如此,在这种环境下生活的芬兰人更是如此。2017年芬兰独立100周年之际,芬兰旅游局组织了多名遗传学家、科技人士、音乐人、创意人,用芬兰人的DNA谱写了一支震撼的交响曲(The Symphony of Extremes),以此彰显芬兰的文化精髓。

项目第一阶段是提取DNA,志愿者来自芬兰北部极端环境下生活的普通人:在拉普兰荒野地区与十几只狗一同生活的女孩 Tinja Myllykangas,杰出的女性极限潜水员 Johanna Nordblad,在芬兰偏远群岛生活的一群孩子。前期工作由来自赫尔辛基大学遗传学教授Päivi Onkamo,芬兰分子医学研究所(FIMM)Jaana Saarela完成。Päivi Onkamo专注于芬兰历史传统中的DNA,Jaana Saarela则负责DNA样本的收集和分析工作。

下一阶段则是聚焦音乐作品和创作,需要将提取的DNA转译成音符,这项工作由坦佩雷大学的访问教授Jonathan Middleton完成,他开发了一套将DNA碱基对转译为声音的程序;最后由重金属乐队Apocalyptica成员Eicca Toppinen主要负责将转译后的DNA音符二次创作成最终的音乐作品。

一个是理性的科学王国,一个是风情万种的艺术世界,两者在山下分了路,又在山顶会合。期待科学与艺术能碰撞出更多火花!

Reference:

  1. http://blogs.nature.com/naturejobs/2017/07/17/the-sound-of-dna/ https://bmcbioinformatics.biomedcentral.com/articles/10.1186/s12859-017-1632-x
  2. http://dnasonification.org/
  3. http://www.blabbermouth.net/news/apocalyptica-creates-music-from-finnish-dna-the-symphony-of-extremes-video-premiere/
  4. https://www.visitfinland.com/symphonyofextremes/

原文发布于微信公众号 - 生信宝典(Bio_data)

原文发表时间:2018-11-12

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