生体タンパク質で初めて観測された量子コヒーレント様状態（フレーリッヒ凝縮）

生体タンパク質で初めて観測された量子コヒーレント様状態

タンパク質分子の振動モードが最低周波数で合体する状態である、いわゆるフレーリッヒ凝縮は、ほぼ50年前に最初に予測されましたが、これまで実験的に実証されたことはありませんでした。

ワシントンD.C.、2015年10月13日-特定の原子を取り、可能な限り低温にすると、原子はボーズ・アインシュタイン凝縮と呼ばれる集合的な低エネルギー量子状態に融合します。 1968年、物理学者のヘルベルトフレーリッヒは、はるかに高い温度での同様のプロセスにより、生体タンパク質のすべての振動エネルギーが最低周波数の振動モードに集中する可能性があると予測しました。現在、スウェーデンとドイツの科学者は、そのようないわゆるフレーリッヒ凝縮の最初の実験的証拠を持っています。 研究者たちは、鶏卵の白から抽出された結晶化タンパク質にテラヘルツ放射を向けることによって凝縮物を作りました。彼らは、AIPPublishingとAmericanCrystallographicAssociationのジャーナルStructuralDynamicsで結果を報告しています。 スウェーデンのイェーテボリ大学の上級科学者であるGergelyKatonaは、次のように述べています。テラヘルツ放射は、マイクロ波と赤外光の間の電磁スペクトルの空間を占めます。空港のセキュリティからがん検診に至るまでのアプリケーションで有用なツールとして提案されていますが、生物学的システムへの影響は依然として不透明です。 カトナ氏は、テラヘルツによって誘発されたフレーリッヒ凝縮が、生物学的酵素によって触媒される反応速度をどのように変化させ、化学平衡を変化させるかを研究することに興味があると述べた。そのような知識は、医療への応用や産業における化学反応を制御する新しい方法につながる可能性がありますが、カトナは、研究はまだ基本的な段階にあると警告しました。 テラヘルツ放射の安全性への影響に関しては、カトナ氏は陪審員はまだ出ていないと述べた。彼と彼のチームが観察した効果は可逆的であり、短期間しか持続しないと彼は付け加えた。

The Long Path from Theory to Observation

フレーリッヒ凝縮の理論的根拠は比較的単純である、とカトナは述べた。 Fröhlichは、タンパク質がテラヘルツ光子を吸収すると、追加されたエネルギーが振動分子を単一の最低周波数モードに強制することを提案しました。 対照的に、他のモデルは、タンパク質が熱の形で光子からエネルギーを急速に放散すると予測しています。 2つの結果を区別するために、カトナと彼の同僚はX線結晶学と呼ばれる手法に目を向けました。 この手法は、サンプルにX線を照射することで機能します。 X線がどのように散乱し、互いに干渉するかを研究することにより、科学者はサンプル材料のさまざまな場所にある電子の相対密度を計算し、それを使用して原子や分子の位置を知ることができます。

彼らのタンパク質には、侵入する細菌の細胞壁を攻撃する一般的な免疫系タンパク質である酵素リゾチームを選択しました。 以前の研究では、（テラヘルツ領域の）低周波振動がタンパク質の機能に強く影響することが示されていました。

Katonaと彼の同僚は、X線結晶学データを同時に収集しながら、リゾチーム結晶に0.4テラヘルツ放射の短いバーストを向けました。 研究者らは、テラヘルツ放射がオンのときに収集されたデータを、オフのときに収集されたデータから分離し、各セットを統計的に分析しました。 彼らは、タンパク質のらせん構造の1つがテラヘルツ放射中に圧縮され、圧縮がマイクロ秒からミリ秒のオーダーで持続し、熱放散モデルで説明できるよりも数千倍長いという証拠を発見しました。 研究者たちは、長期にわたる構造変化は、タンパク質内の分子が1つとして振る舞う量子のような集合状態であるFröhlich凝縮によってのみ説明できると結論付けました。

カトナ氏によると、実験の技術的な課題のために、フレーリッヒの理論に対する実際の支持を得るのに非常に長い時間がかかったという。

「テラヘルツ放射は、以前は生成が非常に困難でしたが、今でも処理が困難です」と彼は述べています。 X線データの分析は、タンパク質の典型的な構造変化と比較して大きさが小さい低周波振動に対しても特に困難です。

実験の最も重要な側面は、研究者が熱放散によって引き起こされなかったタンパク質の構造変化を検出することができたということです、とカトナは言いました。 彼らが観察を行った今、研究者たちは構造変化がタンパク質の働きにどのように影響するかを探求することに熱心だと彼は言った。

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The article, "Terahertz radiation induces non-thermal structural changes associated with Frohlich condensation in a protein crystal," is authored by Ida V. Lundholm, Helena Rodilla, Weixiao Y. Wahlgren, Annette Duelli, Gleb Bourenkov, Josip Vukusic, Ran Friedman, Jan Stake, Thomas Schneider and Gergely Katona. It will be published in the journal Structural Dynamics on October 13, 2015 (DOI: 10.1063/1.4931825).