Πρώτη παρατήρηση του μαγνητικού πεδίου που επηρεάζει τον αυτοφθορισμό των φλαβινών στα ζωντανά κύτταρα

Τις πρώτες παρατηρήσεις κυττάρων που αντιλαμβάνονται το μαγνητικό πεδίο, πραγματοποίησαν επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Τόκιο σε πραγματικό χρόνο. Η ανακάλυψη αυτή αναμένεται να αποτελέσει σημαντικό βήμα ως προς την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο πουλιά, πεταλούδες κ.α. πλοηγούνται χρησιμοποιώντας το μαγνητικό πεδίο του πλανήτη και στο να δοθούν απαντήσεις σχετικά με το αν τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία στο περιβάλλον μας μπορούν να επηρεάσουν την υγεία μας.

Ερευνητές εντόπισαν αλλαγές στον αυτοφθορισμό των κυττάρων σε απόκριση τους σε μαγνητικά πεδία, ένα κρίσιμο βήμα για την κατανόηση του τρόπου με τον οποίο πολλά ζώα πλοηγούνται χρησιμοποιώντας το γεωμαγνητικό πεδίο της Γης. Μια μικρή έκρηξη μπλε φωτός λάμπει σε μια συγκεκριμένη περιοχή (μπλε κύκλος) ενός μεμονωμένου κυττάρου HeLa (καρκίνος του τραχήλου της μήτρας) και στη συνέχεια μετράται το φως που εκπέμπει το κύτταρο (κέντρο). Ο κυτταρικός αυτοφθορισμός εμφανίζεται μόνο στην περιοχή που ακτινοβολήθηκε με μπλε φως (κέντρο, δεξιά).

Στην έρευνα αυτή είδαν ότι η σχέση μεταξύ των spins δύο μεμονωμένων ηλεκτρονίων μπορεί να έχει μεγάλη επίδραση στη βιολογία. Από τη δεκαετία του 1970 ακόμα, επιστήμονες υποπτεύονταν πως, επειδή οι μαγνήτες μπορούν να ελκύουν και να απωθούν ηλεκτρόνια, το μαγνητικό πεδίο της Γης (γεωμαγνητικό πεδίο) μπορούσε να επηρεάζει την ανθρώπινη συμπεριφορά επηρεάζοντας τις χημικές αντιδράσεις.

Όταν κάποια μόρια διεγείρονται από το φως, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να μεταπηδά από ένα μόριο σε ένα άλλο και να δημιουργεί δύο μόρια με μεμονωμένα ηλεκτρόνια, γνωστά ως ζεύγος ριζών (radical pair). Τα μεμονωμένα ηλεκτρόνια μπορούν να υπάρχουν σε μία από δύο διαφορετικές καταστάσεις spin. Εάν έχουν το ίδιο spin ηλεκτρονίων, οι χημικές αντιδράσεις είναι αργές, ενώ τα ζεύγη ριζών με αντίθετα spin μπορούν να αντιδρούν ταχύτερα. Τα μαγνητικά πεδία μπορούν να επηρεάζουν τις καταστάσεις spin ηλεκτρονίων και ως εκ τούτου να επηρεάζουν απευθείας χημικές αντιδράσεις που περιλαμβάνουν ζεύγη ριζών.

Τα τελευταία 50 χρόνια χημικοί ανακάλυψαν πολλαπλές αντιδράσεις και συγκεκριμένες πρωτεΐνες, τα κρυπτοχρώματα, που είναι ευαίσθητα στα μαγνητικά πεδία σε περιβάλλοντα δοκιμαστικού σωλήνα. Βιολόγοι έχουν παρατηρήσει πώς γενετικές παρεμβάσεις σε κρυπτοχρώματα σε φρουτόμυγες και κατσαρίδες εξαφάνιζαν τη δυνατότητα πλοήγησής τους με βάση γεωμαγνητικές ενδείξεις. Άλλες έρευνες έχουν δείξει πως η γεωμαγνητική πλοήγηση πουλιών και άλλων ζώων είναι φωτοευαίσθητη. Ωστόσο ουδείς είχε μετρήσει στο παρελθόν χημικές αντιδράσεις εντός ζωντανών κυττάρων που μεταβάλλονταν απευθείας λόγω μαγνητικού πεδίου.

Οι ερευνητές δούλεψαν με κύτταρα HeLa, ανθρώπινα κύτταρα καρκίνου της μήτρας που χρησιμοποιούνται ευρέως σε ερευνητικά εργαστήρια, εστιάζοντας στα μόρια φλαβίνης. Οι φλαβίνες είναι υπομονάδα των κρυπτοχρωμάτων, που με τη σειρά τους είναι μια ομάδα μορίων που λάμπουν (φθορισμός) όταν εκτίθενται σε μπλε φως. Όταν οι φλαβίνες διεγείρονται από το φως, είτε λάμπουν είτε παράγουν ζεύγη ριζών. Αυτός ο ανταγωνισμός σημαίνει ότι η λάμψη εξαρτάται από το πόσο γρήγορα αντιδρούν τα ζεύγη. Οι ερευνητές ήθελαν να δουν το βιολογικό «magnetoreception» παρατηρώντας τον φθορισμό των των κυττάρων ενώ παράλληλα προσέθεταν τεχνητό μαγνητικό πεδίο στο περιβάλλον.

Ο αυτοφθορισμός είναι κοινός σε κύτταρα, οπότε για να τον απομονώσουν στη φλαβίνη χρησιμοποίησαν λέιζερ για να ρίξουν φως συγκεκριμένου μήκους κύματος στα κύτταρα και μετά μέτρησαν τα μήκη κύματος του φωτός που εξέπεμπαν τα κύτταρα πίσω για να επιβεβαιωθεί πως αντιστοιχούσαν στις χαρακτηριστικές τιμές της φλαβίνης. Τα κύτταρα φωτίστηκαν με μπλε φως και είχαν φθορισμό περιπου 40 δευτερολέπτων, ενώ οι ερευνητές περνούσαν ένα μαγνητικό πεδίο πάνω από τα κύτταρα κάθε τέσσερα δευτερόλεπτα, μετρώντας τις αλλαγές στην ένταση του φθορισμού. Στατιστική ανάλυση έδειξε πως ο φθορισμός μειωνόταν κατά περίπου 3,5% κάθε φορά που το μαγνητικό πεδίο περνούσε πάνω από τα κύτταρα.

Οι επιστήμονες θεωρούν ότι το μπλε φως διεγείρει τα μόρια φλαβίνης και παράγονται ζεύγη ριζών. Η παρουσία μαγνητικού πεδίου έκανε περισσότερα ζεύγη ριζών να έχουν τις ίδιες καταστάσεις spin ηλεκτρονίων, κάτι που σημαίνει ότι υπήρχαν λιγότερα μόρια φλαβίνης διαθέσιμα για να εκπέμπουν φως. Ως εκ τούτου ο φθορισμός της φλαβίνης μειωνόταν μέχρι να απομακρυνθεί το μαγνητικό πεδίο. «Δεν τροποποιήσαμε ούτε προσθέσαμε κάτι σε αυτά τα κύτταρα. Νομίζουμε ότι έχουμε πολύ ισχυρά στοιχεία πως παρατηρήσαμε μια ξεκάθαρη κβαντική μηχανική διαδικασία που επηρεάζει τη χημική δραστηριότητα σε κυτταρικό επίπεδο».

Τα μαγνητικά πεδία στα πειράματα ήταν των 25 millitesla, που αντιστοιχεί στα κοινά μαγνητάκια για τα ψυγεία. Το μαγνητικό πεδίο της Γης διαφέρει ανά περιοχή, μα υπολογίζεται πως είναι περίπου 50 microtesla, ή 500 φορές πιο αδύναμο από τα μαγνητικά πεδία που χρησιμοποιούνται στα πειράματα. Σύμφωνα με τους ερευνητές το πολύ αδύναμο μαγνητικό πεδίο της Γης θα μπορούσε να έχει και πάλι σημαντική βιολογική επιρροή.