核スピンは酸素を含む生物学的プロセスに影響を与える

核スピンが特定の生物学的プロセスに与える影響は、イスラエルの研究者によって初めて観察された。 エルサレム・ヘブライ大学のヨッシ・パルティエル率いるチームは、酸素同位体とキラル生体分子の間の相互作用が同位体の核スピンにどのように依存するかを示す2つの実験を実施した。

自然界の多くのプロセスは、光合成や一部の動物が地球の磁場を感知する能力など、電子のスピンの影響を受けます。 しかし、最近まで、原子核の回転は生物学的プロセスに影響を与えないと考えられていました。

今回、パルティエルのチームは、核スピンが酸素のさまざまな同位体がキラル生体分子とどのように相互作用するかに影響を与える可能性があることを発見した。

「私たちの研究は、生命におけるキラリティーの法則を調査しています」とパルティエル氏は説明します。 「私たちは現在、電子スピンとキラリティーの関連性を確立する『キラル誘起スピン選択性』（CISS）の効果を研究しています。」

キラリティーは、回転や平行移動を使用して鏡像にマッピングできない、物体が持つ非対称の特性です。 身近な例は人間の手です。 実際、キラルはギリシャ語で手を意味する言葉に由来しており、キラルな物体は右巻きまたは左巻きのいずれかとして参照されます。

多くの重要な生体分子は右手型と左手型で存在する可能性がありますが、自然界では 1 つのキラリティーが優勢になる傾向があります。 CISS は、特定の方向 (たとえば、上向き) のスピンを持つ電子が、反対方向 (下向き) のスピンを持つ電子とは異なる方法でキラル分子と相互作用することを意味します。

今回、Paltiel らは、核スピンも CISS に関連していることを示しました。 研究者らは、酸素の 3 つの安定同位体を含む 2 つの実験を設定しました。 これらは、両方とも核スピンがゼロの酸素 16 と酸素 18 と、核スピン 5/2 の酸素 17 です。

彼らの最初の実験には、光合成の重要なプロセスである水の電気分解が含まれていました。 ここで、研究チームはCISS効果を利用してスピン選択性電子流を生成した。 これは、均一なキラリティーを持つ分子の層でアノードをコーティングすることによって行われました。 アノードは、電気分解によって酸素分子が生成される場所であり、スピン選択電子流を使用すると、この生成が強化されることが知られています。

実験で使用された水には3つの酸素同位体が含まれており、研究者らは生成された酸素の同位体組成を分析して、これが核スピンの影響を受けるかどうかを確認した。 彼らは、キラルコーティングを使用した場合、裸のアノードを使用した場合よりも、酸素 17 を含む酸素分子の生成が大幅に少ないことを発見しました。 これは、CISS にも核スピンが関与する可能性があることを示していると研究チームは述べています。

2 番目の実験では、パルティエルのチームは、生きている人間の細胞の膜を通る水の輸送を調べました。 細胞膜内では、水はアクアポリンと呼ばれる特殊なタンパク質を介して移動します。アクアポリンは、他のイオンや溶質が水と一緒に通過するのを防ぎます。

この選択性を担う分子はキラルであるため、CISS が水輸送プロセスに関与しているかどうかをテストする方法を提供します。 研究者らは、酸素17と酸素18を含む水分子がアクアポリンを介してどのように輸送されるかを調べた。 彼らは、一方の同位体の輸送が他方の同位体よりも明らかに優先されることを発見し、これも CISS がヒトの細胞を通る水の輸送に関与していることを示しています。

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「私たちの研究は、核スピンが生物学的プロセスにおいて重要な役割を果たしていることを実証しており、その操作がバイオテクノロジーや量子生物学における画期的な応用につながる可能性があることを示唆しています」とパルティエル氏は言う。 「これは同位体分別プロセスに革命をもたらし、NMR（核磁気共鳴）などの分野で新たな可能性を解き放つ可能性があります。」

NMR には、外部磁場を使用して物質内の核スピンを調べることが含まれますが、これまでのところ、水素以外のこの技術に適した生物学的システム内の磁気同位体は非常にまれであり、精製が困難です。 研究チームの発見は、生体内で磁気同位体である酸素17を濃縮する可能性のある方法を示しており、これはNMRを使用して検出できる可能性がある。