Can bacteria reveal something about electrons and charge?

最小の細菌から最大のヒトに至るまで、あらゆる生命細胞の中には、微小な発電所が稼働しています。電子伝達系として知られるこの仕組みは、生命を維持するためのエネルギーを生み出す役割を担っています。これは、負の電荷を持つ「電子」と呼ばれる極めて小さな粒子を、一連の分子ステーションへと移動させることで機能します。数十年にわたり、科学者たちはこのプロセスを、個々の電子が次のステーションへと次々に渡されていく、リレーレースのように、各走者が単一のバトンを運ぶ安定した流れとして理解してきました。この流れは生物学において非常に根本的なものであるため、そのいかなる混乱も、脳や神経系に影響を及ぼす疾患を含む深刻な病気に関連付けられています。しかし、アレルギー・アダプト社のマーク・ダムケによる最近の論文は、驚くべき問いを投げかけています。もし、これらの電子が単独で旅をしているのではないとしたらどうでしょうか？ もし、特定の条件下で、彼らがペアで移動しているとしたら？ そして、もしそのペアの振る舞いを支配する物理法則が、私たちの考えているものとは異なっているとしたらどうでしょうか？

論文は、エネルギー生成プロセスにおける特定の瞬間、すなわち、FMNと呼ばれる分子から、近くの鉄および硫黄のクラスターへと2つの電子が受け渡される場面の検証から始まります。標準的な見解では、これら2つの電子は同じ負の電荷を持っているため、激しく反発し合うはずです。これほど接近した状態に押し込めるには、細胞が提供できるはずのない膨大なエネルギーが必要となります。ダムケは、この一見すると物理法則に違反しているように見える現象は、ある隠された可能性を示唆していると主張しています。それは、電子が「ダイエレクトロン（二電子）」と彼が呼ぶ、新しい安定した形態として結合しているのではないか、という可能性です。この状態では、2つの電子は磁気スピンを持たない単一のユニットとして機能し、実質的にその反発を中和します。もしこれが真実であれば、電子伝達系は単独の走者を動かしているのではなく、走者のペアが手をつないで走っており、プロセスの後半で引き離されるのだということになります。

このアイデアを検証するため、研究者は人間と同じ初期段階のエネルギー鎖を利用する細菌を用いた実験を行いました。実験は、システムの特定の弱点に基づいています。プロセスを開始する分子であるFMNは、リボフラビンと呼ばれるビタミンから作られます。研究者は2種類の細菌培養液を作成しました。一方は正常で損傷のないリボフラビンを与えられ、もう一方は紫外線にさらされて構造が損傷したリボフラビンを与えられました。理論によれば、もしダイエレクトロンが存在するならば、損傷したリボフラビンによって電子のペアが時期尚早に分解されるはずです。ペアが崩壊すると、2つの電子は高速で飛び散り、水分子に衝突して、ソフトX線という形でエネルギーのバーストを放出します。

セットアップは単純ながらも精密でした。細菌は寒天培地で培養され、そのすぐ隣には白黒の感光紙（写真フィルム）が置かれました。フィルムは可視光からは遮蔽されていましたが、もし電子のペアが実際に崩壊した場合に放出される可能性のあるソフトX線を検出できる感度を持っていました。また、研究者は細菌と一組のフィルムの間に厚いグラファイト（黒鉛）のシートを置き、通常の放射線をブロックすることで、最も透過力の高いエネルギーだけが痕跡を残せるようにしました。36時間の培養後、フィルムを現像して何が起きたかを確認しました。

結果は、2つのグループ間で明確な差を示しました。正常で損傷のないリボフラビンを与えられた細菌の隣に置かれたフィルムは、露出の兆候がなく、完全に透明なままでした。しかし、紫外線で損傷したリボフラビンを与えられた細菌の隣のフィルムには、明瞭な露出のスポットが見られました。これらのスポットは、細菌のコロニーが成長している領域、特に細菌が最も活発な縁の部分に現れました。研究者は、光漏れや物理的な汚染といった一般的なエラーを排除しており、損傷したリボフラビンのプレートに見られたスポットは、フィルム上の物理的な跡とは別物であると指摘しています。これらのスポットの存在は、損傷した細菌が、健康な細菌は出さない放射線を放出していることを示唆しています。

ダムケは、この放射線こそがダイエレクトロンが崩壊する際のシグネチャーであると論じています。彼は、既知のどの細菌も、標準的な電気的手段を通じてこのようなX線を生成するために必要な高電圧を生み出すことはできないこと、また、細菌が発生させる熱はこのような効果を説明するには低すぎることを指摘しています。代わりに、論文は、リボフラビンの損傷が電子のペアの崩壊を引き起こし、観察されたエネルギーを放出させたのだと示唆しています。この論文は、ダイエレクトロンの存在を決定的に証明したと主張しているわけではありませんが、このような電子のペアが存在する可能性があり、その時期尚早な崩壊が有害なエネルギーを放出する可能性があるという強力な証拠として、この実験を提示しています。

この発見の意義は、実験室の枠を超えて広がっています。もしダイエレクトロンが細胞のエネルギー生成における真の実態であるならば、その偶発的な崩壊は人体におけるダメージの源となり得ます。論文は、脳が最もエネルギーを必要とする領域でニューロメラニンという色素を生成していることを指摘していますが、この色素はアルツハイマー病のような神経変性疾患としばしば関連付けられています。もし電子のペアの崩壊がソフトX線を放出するのであれば、脳はこの内部放射線から身を守ろうとしているのかもしれません。研究者は、適切なリボフラビンの不足など、これらの電子ペアの安定性に影響を与える条件が、神経疾患の一因となる可能性があると示唆しています。この論文は治療法を提示する段階には至っていませんが、この隠されたメカニズムを理解することが、なぜこれらの疾患が起こるのか、そしてどのように予防できるのかを調査するための新たな道を切り開く可能性があると提案しています。この研究はあくまで一つの示唆であり、特定の観察結果に基づいた仮説であり、電子伝達系が電荷と物質の本質に関する秘密を本当に隠しているのかどうか、より高度なツールを用いたさらなる調査を促すものです。