Как слабите магнитни полета могат да променят структурата на клетките?
В света на биологията отдавна господства убеждението, че процесите в живите организми протичат при условия, несъвместими с квантови ефекти – температурата е висока, средата е водна, а молекулярните взаимодействия са твърде хаотични. Именно затова ново откритие, публикувано в сп. Science Advances, предизвика широк интерес в научната общност. Изследователски екип от Университета на Ватерлоо в Канада демонстрира за първи път, че слаби магнитни полета и изотопи (варианти на един и същ химичен елемент, които се различават по броя на неутроните в ядрото си) могат да предизвикат измерима промяна в структурата на биологично значими протеини - и то в съответствие с квантовата теория (клон на физиката, описващ поведението на материята на атомно и субатомно ниво), а не с класическата биофизика.
Макар изотопите да имат идентични химични свойства, те се различават по маса и магнитни характеристики. Тези разлики, пренебрежими на пръв поглед, се оказват достатъчни, за да повлияят върху т.нар. механизъм на радикалните двойки (radical pair mechanism) – квантов процес, при който две молекули с несдвоени електрони реагират по-чувствително или по-слабо в зависимост от силата на приложеното магнитно поле. Този механизъм е познат от изследванията върху навигацията на птиците – смята се, че когато светлина попадне в окото им, тя задейства определени протеини, чиито електрони реагират на геомагнитното поле по квантов принцип и така позволяват на птицата да се ориентира по посоките на света.
Обектът на изследването е тубулинът – протеин, от чиято полимеризация (процес, при който отделни молекули се нареждат една след друга и образуват дълги нишки) зависи изграждането на микротубулите. Микротубулите са нишковидни структури в цитоскелета на клетката, изпълняващи ключова роля в клетъчното делене, вътреклетъчния транспорт и поддържането на формата на клетката. В нервните клетки микротубулите са особено важни за предаването на сигнали и за оцеляването на самите клетки.
Какво общо има тубулинът с Алцхаймер и Паркинсон?
Тубулинът е пряко свързан с патологичните процеси при две от най-широко разпространените невродегенеративни заболявания – болестта на Алцхаймер и болестта на Паркинсон. При болестта на Алцхаймер нарушеното функциониране на тау протеина (протеин, който в нормални условия поддържа стабилността на микротубулите) води до разпадането им и образуването на т.нар. неврофибрилни клъстери (заплетени нишки от увреден протеин, натрупващи се вътре в нервните клетки и нарушаващи работата им). При болестта на Паркинсон натрупването на алфа-синуклеин (протеин, който при болестта се слепва на групи и уврежда клетъчните структури) пречи на нормалното изграждане на микротубулите и на транспорта на молекули по тях в клетката. Увреждането на тубулина се оказва, следователно, обща черта при редица невродегенеративни заболявания.
Към момента не съществува лечение, което да спира или обръща хода на тези заболявания. Прилаганата фармакологична терапия е насочена към облекчение на симптомите, но носи риск от нежелани реакции, вариращи от гастроинтестинални нарушения до мозъчен оток. Според Световната здравна организация, към 2023 г. над 55 милиона души по света живеят с деменция, като броят им се очаква да се утрои до 2050 г. – факт, който поставя разработването на нови терапевтични подходи в категорията на неотложните задачи за науката и общественото здраве в глобален мащаб.
Откритието, че слаби магнитни полета и изотопи с особени магнитни свойства могат да влияят върху скоростта и степента, с която тубулинът се полимеризира, предлага принципно нов терапевтичен подход. Ако влиянието на магнитните полета върху тубулина бъде прецизно контролирано, би могло да се окаже възможно да се стабилизират именно онези протеинови структури в нервните клетки, които при Алцхаймер и Паркинсон се увреждат и разпадат.
Какво предстои за квантовата биология и нейните медицински приложения?
Резултатите, получени при изследване върху изолирани протеини в лабораторни условия (in vitro), представляват доказателство на концепцията. Следващата фаза включва излагане на живи мозъчни клетки, отглеждани в контролирана среда извън организма, на слаби магнитни полета, като в хранителната среда около тях се въвеждат и изотопи, които се включват в молекулярните процеси на клетките – с цел установяване дали същият ефект върху тубулина се наблюдава и в реални клетъчни условия. Едва след успешно преминаване на тези етапи може да се премине към предклинични и клинични изпитвания.
Значимостта на откритието обаче надхвърля конкретното приложение при невродегенеративните заболявания. До момента ефектите на слаби магнитни полета и изотопи върху биологични системи са наблюдавани, но не са намирали задоволително обяснение чрез класическата биофизика или биохимия. Настоящото изследване е първото, което демонстрира тези ефекти в биологично значима система и ги обяснява чрез квантовата теория – което означава, че квантовите принципи не са чужди на живата материя, а може би са вградени в самата ѝ основа. Това сближава структурната биология, биофизиката и квантовата биология и открива нови възможности пред биоинженерството и медицината.
Квантовата биология остава млада и бързо развиваща се дисциплина. Освен при навигацията на птиците и фотосинтезата, квантови ефекти се изследват и при обонянието при бозайниците, при катализацията на ензимите и дори при съзнанието – макар последното да остава силно дискусионно в научната общност. Включването на тубулина в тази картина разширява потенциала на квантовата биология да обяснява процеси, при които досега се е смятало, че квантовите ефекти нямат никаква роля.
Ако бъдещите изследвания потвърдят, че слабите магнитни полета и изотопите стабилизират тубулина и в живи организми, а не само в лабораторни условия, то този подход може да се окаже неочаквано мощен инструмент за защита на нервните клетки от дегенеративни увреждания.
Референции:
1. Zadeh-Haghighi H, Siguenza CR, Smith RP, Simon C, Craddock TJA. Tubulin polymerization dynamics are influenced by magnetic isotope effects consistent with the radical pair mechanism. Sci Adv. 2026;12(7):eady8317. doi: 10.1126/sciadv.ady8317.
2. Iqbal K, Liu F, Gong CX. Tau and neurodegenerative disease: the story so far. Nat Rev Neurol. 2016;12(1):15-27. doi: 10.1038/nrneurol.2015.225.
3. Hameroff S, Penrose R. Consciousness in the Universe: A review of the „Orch OR“ theory. Phys Life Rev. 2014;11(1):39-78. doi: 10.1016/j.plrev.2013.08.002.
4. Ritz T, Adem S, Schulten K. A model for photoreceptor-based magnetoreception in birds. Biophys J. 2000;78(2):707-718. doi: 10.1016/S0006-3495(00)76629-X.
