Первое прямое наблюдение влияния магнитного поля на автофлуоресценцию флавинов в живых клетках

Исследователи из Японии впервые наблюдали биологическую магниторецепцию — реакцию живых, неизменённых клеток на магнитное поле в реальном времени. Это открытие — ключевой шаг в понимании того, как животные от птиц до бабочек ориентируются по магнитному полю Земли, и в решении вопроса о том, могут ли слабые электромагнитные поля в нашей среде влиять на здоровье человека.

Исследование проводил профессор Джонатан Вудворд из Токийского университета с аспирантом Нобору Икея. Результаты опубликованы в Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS).

С 1970-х годов учёные предполагали, что магнитное поле Земли (геомагнитное поле) может влиять на поведение животных, воздействуя на химические реакции, поскольку магниты могут притягивать и отталкивать электроны. Когда некоторые молекулы возбуждаются светом, электрон может перескочить с одной молекулы на другую, создав две молекулы с неспаренными электронами — радикальную пару. Неспаренные электроны могут находиться в одном из двух спиновых состояний. Если у двух радикалов одинаковый спин электронов, их последующие химические реакции протекают медленно, а радикальные пары с противоположными спинами могут реагировать быстрее. Магнитные поля могут влиять на спиновые состояния электронов и, следовательно, напрямую влиять на химические реакции с участием радикальных пар.

За последние 50 лет химики идентифицировали несколько реакций и специфических белков — криптохромов, — чувствительных к магнитным полям в условиях in vitro. Биологи наблюдали, как генетическое вмешательство в криптохромы у плодовых мушек и тараканов может лишить насекомых способности к навигации по геомагнитным сигналам. Другие исследования указывали на светочувствительность магнитной навигации у птиц и других животных. Однако ранее никто не измерял изменения химических реакций внутри живой клетки, вызванные непосредственно магнитным полем.

Вудворд и Икея работали с клетками HeLa (раковые клетки шейки матки человека) и изучали их молекулы флавинов.

Флавины — это субъединица криптохромов, сами по себе представляющие собой хорошо изученную группу молекул, которые естественным образом светятся (флуоресцируют) под воздействием синего света. Это важные светочувствительные молекулы в биологии.

Когда флавины возбуждаются светом, они могут либо флуоресцировать, либо образовывать радикальные пары. Эта конкуренция означает, что интенсивность флуоресценции флавинов зависит от скорости реакций радикальных пар. Команда надеялась наблюдать биологическую магниторецепцию, отслеживая автофлуоресценцию клеток при добавлении искусственного магнитного поля.

Поскольку автофлуоресценция клеток разнообразна, для выделения именно флавиновой автофлуоресценции исследователи использовали лазеры для облучения клеток светом определённой длины волны, а затем измеряли длины волн испускаемого клетками света, чтобы убедиться, что они соответствуют характерным значениям для флавинов. Стандартное магнитное оборудование может генерировать тепло, поэтому были приняты меры предосторожности и выполнены контрольные измерения, чтобы убедиться, что единственным изменением в среде клеток было наличие или отсутствие магнитного поля.

Клетки облучали синим светом, и они флуоресцировали около 40 секунд. Исследователи воздействовали на клетки магнитным полем каждые 4 секунды и измеряли изменения интенсивности флуоресценции. Статистический анализ визуальных данных показал, что флуоресценция клеток тускнела примерно на 3.5% каждый раз, когда магнитное поле воздействовало на клетки.

Учёные полагают, что синий свет возбуждает молекулы флавинов, генерируя радикальные пары. Присутствие магнитного поля приводило к тому, что у большего числа радикальных пар были одинаковые спиновые состояния электронов, а значит, оставалось меньше молекул флавинов, способных излучать свет. Таким образом, флавиновая флуоресценция клеток тускнела, пока действовало магнитное поле.

Лабораторные эксперименты и магниторецепция в реальном мире

Экспериментальные магнитные поля составляли 25 миллитесла, что примерно эквивалентно обычным магнитам на холодильник. Магнитное поле Земли варьируется, но оценивается примерно в 50 микротесла, то есть в 500 раз слабее, чем поля, использованные в экспериментах.

Вудворд заявляет, что очень слабое магнитное поле Земли всё же может оказывать биологически значимое влияние благодаря явлению, известному как эффект слабого поля. Хотя сильные магнитные поля затрудняют переход радикальных пар между состояниями с одинаковыми и разными спинами электронов, слабые поля могут иметь противоположный эффект и облегчать этот переход по сравнению с ситуацией без магнитного поля.

Авторы сейчас исследуют этот эффект в других типах клеток, потенциальную роль здоровья клеток и их окружения, а также тестируют кандидатов на роль магнитных рецепторов, включая криптохромы, непосредственно внутри клеток. Интерпретация любого потенциального экологического или физиологического значения результатов потребует разработки более специализированного и высокочувствительного оборудования для работы с гораздо более слабыми магнитными полями и более детального клеточного анализа, чтобы связать магнитополевой ответ с конкретными сигнальными путями или другими последствиями внутри клетки.