Chuyển các phân tử thành âm nhạc?
Việc chuyển đổi các chuỗi trình tự DNA và các dao động hạt thành các nốt nhạc cho phép các nhà nghiên cứu có thể ghi nhận những mẫu hình được giấu kín và tạo ra những tác phẩm âm nhạc vượt xa hơn giới hạn thông thường mà người ta có thể hình dung.
Mark Temple, một nhà sinh học phân tử ngành y ở trường đại học Western Sydney ở Australia, dành rất nhiều thời gian trong phòng thí nghiệm để nghiên cứu về những loại thuốc mới trong điều trị ung thư. Ông thường tách chiết DNA từ các tế bào, đặt chúng vào các ống nghiệm nhỏ và sau đó đưa vào một loại thuốc để xem dãy trình tự hóa học liên kết với nhau ở nơi nào. Trước khi làm ra một loại thuốc, ông thường nhìn vào các liên kết DNA trên một màn hình để xem xem liệu cái gì có thể vận hành ở trạng thái tốt nhất. Tuy nhiên trên thực tế thì thật khó để phát hiện ra điều này trên màn hình hiển thị tràn ngập những trình tự DNA.
Vì vậy, Temple tự hỏi là liệu có cách nào dò các mẫu hình mình cần dễ dàng hơn không. “Tôi nhận ra là mình muốn nghe thấy ‘âm thanh’ của dãy trình tự”. Với sự tò mò của một nghệ sĩ, Temple nói. “Anh biết đấy, trong trường hợp này, sự kết hợp giữa một dạng âm thanh với một dạng hiển thị hình ảnh sẽ có hiệu quả lớn hơn tất thảy”.
Ông bắt đầu theo đuổi việc tạo thành một hệ thống các nốt nhạc từ những thành phần khác biệt của DNA – DNA của người được hợp thành từ bốn cặp base chứa nitơ, vì vậy cũng không khó chuyển thành bốn nốt nhạc – và tạo ra một giai điệu nhỏ của các vật liệu có trong ống nghiệm của mình. Thậm chí thủ thuật này còn giúp anh nhận biết rõ hơn các mẫu hình trong dãy trình tự và có được những lựa chọn tốt hơn cho những kết hợp DNA mình cần.
Temple không phải là người đầu tiên đưa dữ liệu khoa học thành âm thanh. Trong bốn thập kỷ qua, các nhà khoa học đã thử áp dụng cách tiếp cận này để tìm ra cái mới. Một số nhà khoa học còn tưởng tượng ra một tương lai có thể áp dụng kỹ thuật di truyền ngược để chuyển những dạng vật chất đó trở thành một số dạng vật liệu mới.
Các nốt nhạc được “phiên” từ DNA có thể du dương và phù hợp với tai người nhưng lại không mấy giống với một bài hát có thể nghe qua radio. Vì vậy khi cố gắng ‘âm nhạc hóa’ RNA của coronavirus, Temple đã đưa thêm vào các lớp âm thanh của trống và đàn guitar, rồi bổ sung cả âm nhạc của một số nghệ sĩ bạn bè để cuối cùng có một ca khúc sôi động kiểu nhạc rock.
Những thực nghiệm đầu tiên về việc đưa dữ liệu sinh học thành âm thanh đã được các nhà khoa học thử nghiệm từ những năm 1980. Tại Mỹ, David Deamer, một nhà nghiên cứu về kỹ thuật y sinh tại trường Đại học California, Santa Cruz và cũng là một nghệ sĩ piano, cho biết ông đã trao đổi với một nhà nghiên cứu bạn bè khi lần đầu tiên nhận ra ba trong số bốn cặp base của DNA tương ứng với những chữ cái, qua đó cũng tương ứng với các nốt nhạc. Bởi một DNA gồm bốn cặp base chứa nitơ cytosine (C), guanine (G), adenine (A) và thymine (T) và ba cặp base mà Deamer nhắc đến là A tương đương nốt La, G tương đương nốt Sol và C tương đương nốt Đô. Do đó, Deamer quyết định ấn định nốt Mi (E) cho cặp base T và bắt đầu chơi các nốt đó trên đàn piano, chỉ với mong muốn có thể nhận ra được một số sự kết hợp đó cũng thể hiện dưới dạng hợp âm âm nhạc. Sau đó, anh tập hợp một số đồng nghiệp và sáng tác các giai điệu từ những nốt đó, thu lại trong một bản ghi cassette mang tên Tổ khúc DNA. Trong vòng 30 phút, âm nhạc được tạo thành từ những gene insulin của người và một số dãy trình tự DNA của vi khuẩn. Vào ngày 3/8/1982, Deamer xuất hiện trên chương trình Walter Cronkite’s Universe của đài CBS và chơi các bản nhạc DNA của mình trên đàn piano.
Cũng vào thời gian đó, ở Pháp, nhà vật lý kiêm nhà soạn nhạc Joël Sternheimer cũng làm điều tương tự. Trên cơ sở vật lý, ông đã phát triển một bộ khung có thể chuyển những tần số rung liên kết với từng acid amino trong số 20 acid amino mình chọn và đưa chúng vào các nốt trong một bản nhạc.
Kể từ đó, các chuyên gia từ nhiều lĩnh vực khác nhau đã “âm thanh hóa” các virus, hormon, protein, mạng nhện và thậm chí là lửa, sử dụng rất nhiều kỹ thuật khác nhau trong phạm vi mà Deamer và Sternheimer đã sử dụng. Một số chuyên gia còn đi xa hơn là đưa kết quả thu nhận được thành những sản phẩm thương mại ví dụ nhạc sĩ Stuart Mitchell còn lập được một startup mang tên Your DNA Song (Bài hát DNA của bạn), trong đó công nghệ lõi của công ty là một phương pháp kết hợp để chuyển thông tin di truyền của mỗi người thành giai điệu mang dấu ấn cá nhân của mình.
Ngay từ thí nghiệm đầu tiên, Temple đã tạo ra một phần mềm thuật toán mới để chuyển đổi dữ liệu thành âm thanh. Ông tin là âm nhạc có được có thể hữu dụng để cải thiện hơn nữa đối với nghiên cứu và truyền đạt kết quả khoa học với cộng đồng. “Thông thường chúng tôi có hàng ngàn điểm dữ liệu từ thực nghiệm và thật khó để tìm kiếm gì đó trong đó. Nhưng nếu có thể khơi dòng cho những dữ liệu đó thành âm thanh thì người ta có thể lắng nghe và phát hiện những điểm biệt lệ và những thay đổi có trong dữ liệu”, Temple nói. Ông đề cập đến nghiên cứu mà các nhà nghiên cứu đã thành công trong việc sử dụng các tín hiệu điện tâm đồ dưới dạng âm thanh để chẩn đoán các loại bệnh tim: huấn luyện để các bác sĩ tim mạch có thể điểm ra những dị thường xuất hiện ở tim với độ chính xác 78% chỉ sau một khóa huấn luyện bằng kỹ thuật âm thanh truyền tải thông tin/nhận thức dữ liệu.
Phương pháp của Temple bao gồm việc phân định mỗi cặp base DNA của từng người – bốn đơn vị cơ bản trong DNA người – thành mỗi nốt nhạc. Sau đó, ông tiến hành sắp xếp các cặp base đó vào một hệ thống với một loạt những chùm tín hiệu để cuối cùng có thể được “phiên” thành các hợp âm. Nếu được chơi theo chuỗi liên tục, các hợp âm này có thể tạo ra âm thanh, ông nói, trong một tiến trình rất gần với phương pháp của Deamer. “DNA trong tế bào được các protein ‘đọc’ trong khi chúng di chuyển dọc theo chuỗi DNA theo một hướng, từ đầu đến cuối”, Temple giải thích một cách thú vị. “Chuyện này giống như một người đọc băng cassette một lèo từ đầu đến cuối”.
Trong suốt đại dịch, Temple quyết định phối âm, bồi đắp thêm các lớp âm thanh để tạo ra những thông điệp có ý nghĩa và đưa vào khúc nhạc này. Trong quá trình này, ông hiểu rõ được sự khác biệt thực sự giữa “việc dùng âm thanh không lời để truyền tải thông tin hoặc nhận thức dữ liệu” (sonification) với “sự thể hiện dữ liệu bằng âm thanh, bao gồm việc sử dụng các yếu tố về âm sắc và các thang âm điệu thức để tạo ra các âm điệu” (musification). Hóa ra, việc dùng âm thanh để thể hiện dữ liệu khác biệt với việc sử dụng các chất liệu âm nhạc để sáng tạo nên bài hát.
“Có một số dạng ứng dụng khoa học không chỉ dễ thực hiện mà còn dễ lan tỏa rộng khắp trong cộng đồng. Càng cố gắng lan tỏa các ý tưởng khoa học trong công chúng thì càng thu hút được nhiều người quan tâm đến khoa học hơn” (nhà sinh học phân tử Mark Temple).
Temple thấy tác phẩm dạng này là một công cụ truyền thông hiệu quả có thể giúp một lớp khán giả phổ thông hiểu được các hệ phức hợp trong khoa học. Ông cũng biểu diễn chính bài hát này trong một buổi hòa nhạc ở Australia. “Có một số dạng ứng dụng khoa học không chỉ dễ thực hiện được mà còn dễ lan tỏa rộng khắp trong cộng đồng”, ông nói. “Càng cố gắng lan tỏa các ý tưởng khoa học trong công chúng thì càng thu hút được nhiều người quan tâm đến khoa học”.
Temple không phải là người duy nhất nghĩ đến điều đó.
Một nhóm các nhà khoa học tại ĐH Illinois at Urbana-Champaign mới xuất bản công trình nghiên cứu trên tạp chí Journal of Chemical Education nhằm giải quyết từng bước cách dùng âm thanh truyền tải thông tin có thể phù hợp với việc giảng dạy trong một lớp học. Các nhà khoa học cung cấp nội dung bài giảng, bài tập về nhà, các âm thanh, hình ảnh video trực quan để có thể giải thích cho học sinh quá trình phát triển và vận động của các protein.
Tương tự, Linda Long, nhà hóa sinh ở ĐH Exeter Anh, trong 12 năm điều hành một trung tâm khoa học ở Bristol đã sử dụng âm thanh của các nhạc cụ để thể hiện các protein trong cơ thể con người. “Tiềm năng dùng âm nhạc để đưa ra một cách đơn giản và lôi cuốn con người kết nối với khoa học, hiểu được tự nhiên và những khối cơ bản cấu tạo nên sự sống, hình thành cơ thể con người thật hết sức thú vị”, bà nói.
Bà ấn định âm thanh cho protein, phân tử có chức năng sao chép DNA – theo hình dạng của chúng. Bà sử dụng kỹ thuật tinh thể học tia X: tinh thể hóa một protein, sau đó chụp nó bằng tia X để xem cấu trúc chi tiết của nó. Quá trình này tạo ra chuỗi số thể hiện cấu trúc ba chiều của phân tử protein, sau đó đưa các con số vào một chương trình máy tính, bà chuyển nó thành một chuỗi nốt nhạc. Nhờ đó có thể “nghe” được hình dạng của các protein, Long giải thích. Ví dụ, các đường xoắn ốc của protein có thể được nghe như những hợp âm rải (arpeggio).
Bà đã chuyển đổi thành công các protein thực vật thành một album âm nhạc Music of the Plants (Âm nhạc của cây) và các hormone người vào một album khác Music of the Body (Âm nhạc của cơ thể). “Tôi rất quan tâm đến việc sử dụng âm nhạc từ các phân tử để có thể khám phá ra những lợi ích chữa lành của nó”, bà nói như vậy bởi nghĩ rằng những bài hát có thể gắn kết với thế giới tinh thần của người nghe, qua đó khơi dậy sự tối ưu trong trí não để có thể tự chữa lành trước bệnh tật. Ví dụ, bà đang nghiên cứu một loạt các tác phẩm âm nhạc từ những phân tử được thiết kế để sử dụng trong thôi miên những bệnh nhân béo phì cũng như tạo ra những tác phẩm âm nhạc từ những kháng thể trung hòa coronavirus. “Mục tiêu của tôi là dùng âm nhạc để giúp mọi người tăng cường hệ miễn dịch, giảm thiểu được nỗi sợ hãi và căng thẳng mà họ phải trải nghiệm trong đại dịch”, Long nói.
Carla Scaletti, một nhà kỹ thuật âm thanh và thành viên của nhóm nghiên cứu ở ĐH Illinois Urbana-Champaign, lưu ý là không thể xác định khả năng trị liệu của phương pháp này ngay. Âm thành và âm nhạc có thể tác động rất sâu sắc đến con người và nhiều người có thể chọn được âm thanh mình cần như giữ cân bằng, lao vào trận đánh hay rơi vào giấc ngủ nhưng có thể đem lại các đặc tính kháng virus từ việc nghe chuỗi âm thanh “phiên” từ một cấu trúc protein ba chiều là một chuyện hoàn toàn khác.
Markus Buehler, một nhà khoa học vật liệu tại Viện Công nghệ Massachusetts và cũng là một nhạc sĩ, lại tin rằng sự giao thoa giữa các phân tử và âm nhạc còn có thể đem lại lợi ích hơn cả liệu pháp âm nhạc, ví dụ có thể sử dụng âm nhạc cho những điều trị mới. Phòng thí nghiệm của ông ở MIT đang nghiên cứu về âm thanh hóa các phân tử bằng việc nắm bắt các dao động của nó. Khi các nguyên tử dao động một cách đều đặn, ông “ghi âm” lại những đặc tính của nó, sau đó qua một chương trình máy tính, đưa chúng thành những âm thanh vừa vặn với tai người.
Năm ngoái, nhóm ông đã đưa một mạng nhện thành một giai điệu rin rít nghe khá kỳ quái và đưa dao động của lửa thành tiếng cồng chiêng xa xăm vọng lại. Buehler cho rằng mọi dao động đều có thể diễn tả bằng tiếng nhạc cụ. “Tất nhiên chúng ta cần kỹ thuật để khai thác được thông tin bởi chúng ta không thể đưa một cái cây hay ngọn lửa thành âm nhạc theo nghĩa đen”, ông nói. “Anh phải dùng công nghệ và lý thuyết toán học để làm điều đó”.
Buehler cũng từng làm việc theo cách ngược lại để tạo ra những protein chưa từng có trong tự nhiên, ví dụ chuyển đổi biến tấu Goldberg của Bach thành các protein. Theo quan điểm của ông, ông có thể chuyển protein thành âm nhạc và sau đó, dùng âm nhạc để nâng cấp protein thành một biến thể tốt hơn so với chính nó. Trên một đẳng cấp tiến hóa mới, ông tự hỏi hệ thống ông tạo ra có thể biến đổi một protein thành một dạng thịt mới? hay tổng hợp ra một loại thuốc mới? Hiện tại Buehler đang tìm kiếm một protein có thể giúp kéo dài thời gian bảo quản thực phẩm.
Buehler tin là kể từ khi sự sáng tạo dẫn đến sự ra đời của nhiều thể loại âm nhạc khác nhau theo thời gian – từ nhạc cổ điển đến techno – thì với hiểu biết khoa học, sự sáng tạo cũng có thể chuyển đổi trải nghiệm thú vị kiểu như thế này thành những vật thể hữu hình. Và tại sao lại không thể nghĩ là những giai điệu phức tạp lại không ẩn chứa những công thức bí mật để tạo ra những vật liệu mới.
“Trên thực tế thì âm nhạc có nhiều đề xuất cho cộng đồng khoa học. Chúng tôi không thể biết hết tất cả mọi thứ trong dữ liệu được”, Buehler nói. □
Tô Vân dịch
Nguồn: https://www.smithsonianmag.com/science-nature/why-scientists-are-turning-molecules-into-music-180980022/
