通过将数据转换成声音，科学家发现了氢键如何促成闪电般的旋转，将一串氨基酸转化为功能性折叠蛋白质。他们的报告发表在《国家科学院院刊》上，以前所未有的视角展示了蛋白质从展开状态转变为折叠状态时发生的氢键事件序列。
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校化学教授马丁·格鲁贝尔 (Martin Gruebele)表示：“蛋白质必须正确折叠才能成为酶或信号分子或发挥其功能，即蛋白质在我们体内发挥的许多作用。”他与作曲家兼软件开发人员卡拉·斯卡莱蒂 (Carla Scaletti)共同领导了这项新研究。
错误折叠的蛋白质会导致阿尔茨海默病、帕金森病、囊性纤维化和其他疾病。为了更好地了解这个过程是如何出错的，科学家必须首先确定一串氨基酸如何在细胞的水环境中变形为最终形态。实际的转变发生得非常快，“大约在 70 纳秒到 2 微秒之间，”格鲁贝尔说。
氢键是一种相对较弱的吸引力，它使蛋白质中不同氨基酸上的原子对齐。折叠蛋白质会在内部以及与周围的水分子形成一系列氢键。在此过程中，蛋白质会摆动成无数潜在的中间构象，有时会陷入死胡同并回溯，直到它偶然发现另一条路径。
研究人员希望绘制出蛋白质折叠过程中氢键形成的时间序列。但他们的可视化技术无法捕捉到这些复杂的事件。
格鲁贝尔说：“在从展开状态到折叠状态的短暂过程中，与水分子发生了数以万计的相互作用。”
因此，研究人员转向数据声化，这是一种将分子数据转换成声音的方法，这样他们就可以“听到”氢键的形成。为了实现这一点，斯卡莱蒂编写了一个软件程序，为每个氢键分配一个独特的音高。分子模拟生成了必要的数据，显示了两个原子在空间中处于正确位置(并且彼此足够接近)以形成氢键的位置和时间。如果发生了正确的键合条件，软件程序就会播放与该键相对应的音高。总的来说，该程序按顺序跟踪了数十万个单独的氢键事件。
斯卡莱蒂表示，大量研究表明，人类大脑处理音频的速度大约是处理视觉数据的速度的两倍，而且人类能够更好地检测和记住声音序列中的细微差别，而不是以视觉方式呈现相同的序列。
“在我们的听觉系统中，我们确实非常适应频率的细微差异，”她说。“例如，我们使用频率和频率组合来理解语音。”
蛋白质大部分时间都处于折叠状态，因此研究人员还想出了一个“稀有度”函数来识别折叠或展开的罕见、短暂时刻发生的时间。
由此产生的声音让他们深入了解了这个过程，揭示了某些氢键似乎加速了折叠，而另一些氢键似乎减慢了折叠速度。他们对这些转变进行了描述，称最快的为“高速公路”，最慢的为“蜿蜒曲折”，中间的为“模糊”。
格鲁贝尔说，将水分子纳入模拟和氢键分析对于理解这一过程至关重要。
“蛋白质折叠反应中一半的能量来自水，而不是蛋白质，”他说。“通过超声处理，我们真正了解到水分子如何落入蛋白质的正确位置，以及它们如何帮助蛋白质构象改变，最终折叠起来。”
Gruebele 表示，虽然氢键不是促成蛋白质折叠的唯一因素，但这些氢键通常可以稳定从一种折叠状态到另一种折叠状态的转变。其他氢键可能会暂时阻碍正确的折叠。例如，蛋白质可能会陷入一个重复的循环中，该循环涉及一个或多个氢键的形成、断裂和再次形成——直到蛋白质最终摆脱这个死胡同，继续其最稳定的折叠状态之旅。
“与看起来完全是杂乱无章的可视化不同，当你听这个声音时，你实际上会听到规律，”格鲁贝尔说。“这是无法想象但却很容易听到的东西。”