Naturally cysteine-less LOV domains from halophilic archaea exhibit magnetic field effects on their fluorescence

見えない握手：小さなスピンがいかにして磁場を感じ取るか

あなたの体が賑やかな都市であり、その中のあらゆる細胞の中に、タンパク質と呼ばれる小さな働き手がいると想像してみてください。これらの働き者のほとんどは、化学信号に基づいて何かを構築したり分解したりする、勤勉な建設作業員のようなものです。しかし、非常に特殊で稀なグループの働き手には、ある秘密の超能力があります。それは、渡り鳥が航行する時のように、地球の磁場を感じ取ることができるという能力です。これは魔法ではありません。生物学の中で繰り広げられている、量子物理学の一場面なのです。

これがどのように機能するかを理解するために、電子を単なる小さな粒子としてではなく、回転する独楽（こま）として考えてみてください。これら2つの独楽が一緒に生成されるとき、それらは「量子もつれ」の状態にあります。つまり、二人のダンサーが手をつないで踊っているように、そのスピンが完璧に同期していることを意味します。このペアはラジカルペアと呼ばれます。通常、彼らは特定ののリズムで踊っています。しかし、近くに磁石を持ってくると、それは指揮者がタクトを振るように、彼らのダンスのリズムをわずかに変化させます。このスピンの極めて小さな変化が、実際に彼らが参加している化学反応を変えることができ、事実上、磁場を生物学的信号へと変換するのです。科学者たちは、一部のタンパク質がこの「ラジカルペア・メカニズム」を用いて磁気を感知しているのではないかと長年疑ってきましたが、それらは主に、人間が設計した実験室の生成物や、クリプトクロムのような特定のタンパク質においてのみ発見されてきました。大きな疑問は、「これは少数の特別なケースに限られた珍しいトリックなのか、それとも自然界の中に隠れた、ごく一般的な特徴なのか？」ということでした。

発見：自然界独自の磁気センサー

この研究において、ブライアン・L・ロスという研究者は、非常に予期せぬ場所、すなわち、人間の手によって調整されていない自然界の中に、これらの磁気センサーを探し出すことに決めました。チームは、LOVドメインと呼ばれるタンパク質の一族に焦点を当てました。標準的なLOVドメインは、光を感知するスイッチのようなものだと考えることができます。通常、青い光が当たると、タンパク質の特定の部分（システイン）が光吸収分子（フラビン）を掴み、スイッチを切り替えます。しかし、自然界には、この「掴む手」を欠いた「システインレス（システインを持たない）」バージョンのスイッチがいくつか存在します。それがないために、通常の結合を形成せず、代わりに「中性セミキノン・ラジカル」と呼ばれる異なる状態を作り出します。

チームは、これらの天然のシステインレス版はラジカル状態を作り出すため、有名な人間設計の「MagLOV」タンパク質と同じくらい磁場に対して敏感なのではないか、という仮説を立てました。これをテストするために、彼らは異なる微生物由来の3種類の天然のシステインレスLOVドメインを取り出しました。2つは好塩性の古細菌（HsuLOVとBAT-LOV）から、もう1つは磁性細菌（amb2291）から取り出したものです。彼らはこれらのタンパク質の遺伝子を大腸菌（E. coli）に組み込み、プレート上で培養しました。そして、カスタムメイドの装置を使用して、強力な磁場（100 mT）をオン・オフしながら大腸菌に青い光を照射し、磁場に反応して大腸菌の輝き（蛍光）が変化するかどうかを観察しました。

結果：光る反応

実験の結果、刺激的な結果と、静かな結果の両方が明らかになりました。好塩性の古細菌に見られるタンパク質であるHsuLOVは、明確な反応を示しました。磁場がオンになると、細菌の蛍光はわずかに暗くなり、磁場がオフになると明るさが戻りました。これは磁気蛍光（magneto-fluorescence）と呼ばれる現象です。同様に、2番目の古細菌タンパク質の変異体であるBAT-LOV W172Fも、磁場が作動している時に明確な減光効果を示しました。

しかし、物語は全員に同じように展開したわけではありません。磁性細菌由来の3番目のタンパク質であるamb2291は、チームの特定の照明条件下では、輝きの検知可能な変化を示しませんでした。また、BAT-LOVの野生型（通常版）も、非常に弱い、ほとんど目に見えない程度の反応しか示しませんでした。

チームは、成功したタンパク質の正確な輝度の変化を算出しました。HsuLOVの場合、磁場によって蛍光は約**-0.409%減少しました。BAT-LOV W172F変異体も、ほぼ同一の-0.409%**の減少を示しました。これらの数字は小さく聞こえるかもしれませんが、量子生物学の世界においては、それは大きな信号なのです。

これが意味すること

この研究は、ラジカルペア・メカニズムを介して磁場を感知する能力は、人間が設計したタンパク質特有の癖ではなく、野生で見られる自然な特性である可能性を示唆しています。研究者たちの知る限り、磁気感受性を持つタンパク質が、細菌や人間とは異なる主要な生命ドメインである**古細菌（アーキア）**において同定されたのは、これが初めてのことです。

研究者たちは、3番目のタンパク質（amb2291）が彼らの特定のセットアップにおいて異なる輝きを示さなかったとしても、それが磁気を感知できないことを意味するわけではない、と慎重に述べています。この効果を見られるかどうかは、化学反応の速度と光の明るさの比較に大きく依存します。もし光が暗すぎたり、反応が速すぎたりすると、磁気の効果はかき消されてしまいます。したがって、彼らはHsuLOVとBAT-LOV変異体が磁気感受性を持つことを証明しましたが、amb2291が異なる条件下では感受性を持つ可能性を排除することはできません。

結局のところ、この論文は、自然界はすでに磁気センサーをそのツールキットの中に組み込んでおり、特にこれらのシステインレスLOVドメインにおいてそれが実現していることを示唆しています。これは、これらの古代のタンパク質が磁場を利用して自身の行動を導いているという考えへの扉を開き、科学者が将来に向けて、より優れた磁気制御ツールを構築するための新しい出発点を与えるものです。