Ядерный спин влияет на биологические процессы с участием кислорода

Влияние ядерных спинов на определенные биологические процессы впервые наблюдалось исследователями в Израиле. Команда под руководством Йосси Палтиеля из Еврейского университета в Иерусалиме провела два эксперимента, которые показали, как взаимодействия между изотопами кислорода и хиральными биомолекулами зависят от ядерного спина изотопов.

Вращение электронов влияет на многие процессы в мире природы, включая фотосинтез и способность некоторых животных чувствовать магнитное поле Земли. Однако до недавнего времени считалось, что спины ядер не влияют на биологические процессы.

Теперь команда Палтиэля обнаружила, что ядерный спин может влиять на то, как различные изотопы кислорода взаимодействуют с хиральными биомомекулами.

«Наше исследование исследует правило киральности в жизни», — объясняет Палтиэль. «В настоящее время мы изучаем эффект «хирально-индуцированной спиновой селективности» (CISS), который устанавливает связь между электронным спином и киральностью».

Хиральность — это асимметричное свойство объекта, которое нельзя отобразить на его зеркальном изображении с помощью вращения и перемещения. Известный пример — человеческая рука. Действительно, слово «хиральный» происходит от греческого слова, обозначающего «рука», а хиральные объекты называются либо правосторонними, либо левосторонними.

Многие важные биомолекулы могут существовать в правосторонней и левосторонней версиях, но в природе имеет тенденцию доминировать одна хиральность. СНПЧ означает, что электроны со спинами в определенном направлении (скажем, вверх) будут взаимодействовать с хиральной молекулой иначе, чем электроны со спинами в противоположном направлении (вниз).

Теперь Палтиел и его коллеги показали, что ядерные спины также имеют отношение к СНПЧ. Исследователи поставили два эксперимента с участием трех стабильных изотопов кислорода. Это кислород-16 и кислород-18, оба имеют нулевой ядерный спин, и кислород-17, имеющий ядерный спин 5/2.

Их первый эксперимент включал электролиз воды: жизненно важный процесс фотосинтеза. Здесь команда создала спин-селективный электронный ток, используя эффект CISS. Это было сделано путем покрытия анода слоем молекул с однородной киральности. Анод — это место, где молекулы кислорода производятся электролизом, и известно, что это производство усиливается, когда используется спин-селективный электронный ток.

Вода, использованная в эксперименте, содержала три изотопа кислорода, и исследователи проанализировали изотопный состав полученного кислорода, чтобы увидеть, влияет ли на него вращение ядра. Они обнаружили, что при использовании хирального покрытия образуется значительно меньше молекул кислорода, содержащих кислород-17, чем при использовании голого анода. Это, по словам команды, показывает, что СНПЧ также может включать в себя ядерные вращения.

Во втором эксперименте команда Палтиэля изучала транспорт воды через мембраны живых клеток человека. Внутри клеточной мембраны вода переносится через специальные белки, называемые аквапоринами, которые предотвращают прохождение других ионов или растворенных веществ вместе с водой.

Молекулы, ответственные за эту селективность, являются хиральными и, следовательно, позволяют проверить, участвует ли СНПЧ в процессе переноса воды. Исследователи изучили, как молекулы воды, содержащие кислород-17 и кислород-18, транспортируются через аквапорины. Они обнаружили явное предпочтение транспорта одного изотопа перед другим, что еще раз показывает, что СНПЧ участвует в транспортировке воды через клетки человека.

Хиральность влияет на ток в графеновых транзисторах

«Наше исследование показывает, что ядерный спин играет решающую роль в биологических процессах, предполагая, что манипулирование им может привести к новаторским применениям в биотехнологии и квантовой биологии», — говорит Палтиел. «Это потенциально может произвести революцию в процессах фракционирования изотопов и открыть новые возможности в таких областях, как ЯМР [ядерный магнитный резонанс]».

ЯМР предполагает исследование ядерных спинов материала с использованием внешних магнитных полей, но до сих пор магнитные изотопы в биологических системах, подходящие для других методов, кроме водорода, были чрезвычайно редки и их трудно очистить. Открытие команды представляет собой возможный метод обогащения магнитного изотопа кислорода-17 в биологических системах, который затем можно будет обнаружить с помощью ЯМР.