特定の磁場を当てると3.5%暗くなる細胞

東京大学の研究チームが磁力が人間の健康にどのような影響を与えるか調査しました。

研究では特定の光を当てることで蛍光するフラビン分子に磁場を当てると3.5％暗くなることがわかりました。特定の細胞にフラビン分子細胞を埋め込み蛍光させてから磁場を当てるなど、人間の視覚で捕捉できる事で医療への転用が期待されます。

Researchers in Japan have made the first observations of biological magnetoreception –  live, unaltered cells responding to a magnetic field in real time. This discovery is a crucial step in understanding how animals from birds to butterflies navigate using Earth’s magnetic field and addressing the question of whether weak electromagnetic fields in our environment might affect human health.

参照元：https://www.u-tokyo.ac.jp/focus/en/press/z0508_00158.html
– 東京大学 University of Tokyo. January 6, 2021 –

日本の研究者は、生物学的磁気受容の最初の観察を行いました。

リアルタイムで磁場に反応する生きた、変化していない細胞です。

この発見は、鳥から蝶までの動物が地球の磁場を使用してどのように移動するかを理解し、私たちの環境の弱い電磁界が人間の健康に影響を与える可能性があるかどうかの問題に取り組む上で重要なステップです。

博士課程の池谷昇氏とともに研究を行った東京大学のジョナサン・ウッドワード教授は話します。

「この研究の嬉しい点は、2つの個々の電子のスピンの関係が生物学に大きな影響を与える可能性があることを確認することです。」

結果は最近、米国科学アカデミー紀要（PNAS）に掲載されました。

研究者たちは、1970年代以降、磁石が電子を引き付けてはじくことができるため、地磁気とも呼ばれる地球の磁場が化学反応に影響を与えることで動物の行動に影響を与える可能性があると考えています。

一部の分子が光によって励起されると、電子が1つの分子から別の分子にジャンプし、ラジカルペアと呼ばれる単一の電子を持つ2つの分子を作成できます。

単一電子は、2つの異なるスピン状態のいずれかで存在できます。

2つのラジカルが同じ電子スピンを持っている場合、その後の化学反応は遅くなりますが、反対の電子スピンを持つラジカルペアはより速く反応する可能性があります。

磁場は電子のスピン状態に影響を与える可能性があるため、ラジカルペアが関与する化学反応に直接影響を及ぼします。

過去50年間、化学者は、試験管環境の磁場に敏感なクリプトクロムと呼ばれる複数の反応と特定のタンパク質を特定してきました。

生物学者は、ミバエやゴキブリのクリプトクロムを遺伝的に妨害することで、地磁気の手がかりに従って昆虫が移動する能力をどのように排除できるかを観察しています。

他の研究では、鳥や他の動物の地磁気ナビゲーションは光に敏感であることが示されています。

しかし、これまで、磁場によって直接変化する生細胞内の化学反応を測定した人は誰もいません。

ウッドワード教授と池谷昇氏は、研究室で一般的に使用されているヒト子宮頸がん細胞であるHeLa細胞を扱い、特にそれらのフラビン分子に関心を持っていました。

フラビンはクリプトクロムのサブユニットであり、それ自体が一般的でよく研究されている分子のグループであり、青色光にさらされると自然に光る、または蛍光を発します。

それらは生物学において重要な光感知分子です。

フラビンが光によって励起されると、フラビンは蛍光を発するか、ラジカルペアを生成します。

この競合は、フラビン蛍光の量がラジカルペアの反応速度に依存することを意味します。

東京大学のチームは、細胞の環境に人工的な磁場を加えながら、細胞の自家蛍光を監視することにより、生物学的磁気受容を観察することを望んでいました。

細胞では自家蛍光が一般的であるため、研究者はフラビンの自家蛍光を分離するために、レーザーを使用して特定の波長の光を細胞に照射し、細胞が放出する光の波長を測定して、フラビンの自家蛍光の特性値と一致することを確認しました。

標準的な磁気装置は熱を発生する可能性があるため、研究者は徹底的な予防措置を講じ、徹底的な制御測定を行って、セルの環境の唯一の変化が磁場の有無であることを確認しました。

ウッドワード教授は話します。

「博士課程の学生としての私の目標は、実際の生物学的システムでこれらのラジカルペア効果を直接見ることでした。それが私たちが管理したばかりのことだと思います。」

細胞に青色光を照射し、約40秒間蛍光を発しました。

研究者は4秒ごとに細胞全体に磁場を掃き、蛍光強度の変化を測定しました。

実験からの視覚データの統計分析は、磁場が細胞を一掃するたびに、細胞の蛍光が約3.5％暗くなることを明らかにしました。

研究者たちは、青色光がフラビン分子を励起してラジカルペアを生成すると考えています。

磁場の存在により、より多くのラジカルペアが同じ電子スピン状態を持つようになりました。

これは、発光に利用できるフラビン分子が少なかったことを意味します。

したがって、細胞のフラビン蛍光は、磁場がなくなるまで暗くなりました。

ウッドワード教授は話します。

「これらの細胞には何も変更も追加もしていません。細胞レベルで化学活性に影響を与える純粋な量子力学的プロセスを観察したという非常に強力な証拠があると思います。」

実験磁場は25ミリテスラで、これは一般的な冷蔵庫の磁石とほぼ同等です。

地球の磁場は場所によって異なりますが、約50マイクロテスラ、つまり実験で使用された磁場の500分の1と推定されています。

ウッドワード教授は、地球の非常に弱い磁場は、低磁場効果として知られている現象のために、生物学的に重要な影響を与える可能性があると述べています。

強い磁場は、2つの電子スピンが同じ状態と異なる状態の間でラジカルペアを切り替えることを困難にしますが、弱い磁場は逆の効果をもたらし、磁性がない場合よりも切り替えを容易にします。

著者らは現在、他の種類の細胞への影響、細胞の健康と周囲の潜在的な役割を調査し、細胞内に直接あるクリプトクロムを含む候補磁気受容体をテストしています。

結果の潜在的な環境的または生理学的重要性を解釈するには、はるかに弱い磁場で動作するより専門的で高感度の機器を開発し、磁場に敏感な応答を特定のシグナル伝達経路または細胞内の他の結果に接続するためのより詳細な細胞分析が必要になります。