Исследователи Юй Ян, Чжэнлун Гу и Бо Сун из Фуданьского университета и Шанхайского университета науки и технологий опубликовали работу о квантовых свойствах клеточных энергостанций. Они зафиксировали в живых клетках необычный физический эффект, позволяющий управлять выработкой аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального топлива, за счёт которого сокращаются мышцы, передаются нервные импульсы и делятся клетки.
Загадка клеточного аккумулятора
Организм взрослого человека работает на мощности порядка 100 ватт, тратя на работу головного мозга около 20 ватт. Внутри каждой клетки находятся сотни митохондрий — органелл, пережигающих питательные вещества в молекулы АТФ. Эффективность переноса энергии в дыхательных цепях митохондрий достигает 90%, что трудно объяснить законами классической физики. Авторы работы искали механизм, благодаря которому органеллы избегают тепловых потерь и передают энергию без лишнего рассеяния.
Команда исследователей применила метод инфракрасной спектроскопии к почечным клеткам человека HEK-293T, а также к образцам печени, сердца и скелетных мышц мышей. В спектре поглощения живых образцов проявился сигнал на частоте 71,0 терагерц. Учёные проверили фоновые сигналы растворённого и газообразного углекислого газа, а также спектры отдельных белков и воды. Ни одно химическое соединение по отдельности не давало такого пика.
Сигнал регистрировался строго в живых клетках и нативных тканях. Когда исследователи высушили клетки и растёрли их в порошок, химический состав остался прежним, но сигнал на частоте 71,0 терагерц исчез. Для появления этой частоты требуется сохранная геометрия внутренней структуры органеллы.
Микроскопическая оптическая ловушка
Внутренняя мембрана митохондрии собрана в складки — кристы. Расстояние между складками составляет около 0,05 микрометра, а суммарная длина активной органеллы концентрируется около отметки 2,2 микрометра. Авторы работы рассчитали, что митохондрия работает как оптический резонатор, похожий на зеркальную трубку в лазере.
В липидных хвостах мембраны химические связи углерода и водорода колеблются на частоте 87 терагерц. Возбуждаясь, они испускают фотоны, которые отражаются внутри органеллы и образуют стоячую световую волну. В результате фотон связывается с механическим колебанием молекул, создавая смешанное квантовое состояние — мито-поляритон. Исходный уровень в 87 терагерц расщепляется на две новые частоты: 71 терагерц и 103 терагерц. Первую из них авторы и увидели на спектрограммах.
Разгон синтеза АТФ лазерным лучом
Чтобы проверить влияние эффекта на метаболизм, биологи собрали клетки в объёмные трёхмерные кластеры внутри геля и облучили квантово-каскадным инфракрасным лазером. Мощность луча составила 10 микроватт на квадратный миллиметр, что в пятьсот раз слабее света в стандартных опытах оптогенетики. Тепловой нагрев при такой мощности отсутствует.
Десятиминутное воздействие лазера на резонансной частоте 71,0 терагерц увеличило количество АТФ в клетках на 10,3% по сравнению с контрольными необлучёнными образцами. Луч с частотой 87,0 терагерц поднял выработку на 10,1%. Контрольный лазер на нерезонансной частоте 53,7 терагерц изменений в выработке АТФ не вызвал.
Ограничения эксперимента
Статья размещена на сервере препринтов bioRxiv и на момент публикации не прошла процедуру независимого рецензирования научным сообществом. Измерение выхода АТФ проводилось на небольшой выборке из 8 пар образцов на одной клеточной линии. Вторая расчётная ветвь квантового состояния на частоте 103 терагерц экспериментально не подтверждена, так как в этом диапазоне сигнал перекрывается поглощением воды. Биологический механизм того, как именно стоячая электромагнитная волна в липидах ускоряет работу белковых комплексов дыхательной цепи, авторам ещё предстоит детализировать.
