弱磁场增强镁-25同位素对微管聚合的磁同位素效应：基于自由基对机制的证据

《SCIENCE ADVANCES》：Tubulin polymerization dynamics are influenced by magnetic isotope effects consistent with the radical pair mechanism

本研究通过结合实验与模拟，探讨了核自旋动力学如何通过镁同位素置换与弱磁场相互作用影响微管聚合，揭示了一种明确由核自旋特性驱动的同位素依赖性效应，该效应在施加3毫特斯拉的弱磁场下增强。实验结果与理论上的自由基对机制模型达成定量一致，为量子自旋动力学与微管组装之间的联系提供了支持，并阐明了弱磁场影响生物分子功能的潜在机制。这项工作发表在《Science Advances》期刊上。

　　

在生命科学领域，微弱磁场对生物过程的影响一直是一个引人入胜却又充满争议的谜题。传统生物化学和热力学模型难以解释，因为微弱磁场（例如毫特斯拉量级）的能量远低于生理温度下的热能。然而，众多现象暗示，某些生化反应可能依赖于电子和核自旋动力学等量子特性。微管（Microtubule）作为构成细胞骨架、负责细胞形态维持、物质运输和细胞分裂的关键蛋白纤维，因其自组装能力、对磁场的敏感性以及在细胞过程中的核心作用，成为了检验微弱磁场效应的理想系统。

此前，已有研究观察到去除地磁场（GMF）会影响微管密度，而一个基于自由基对机制（Radical Pair Mechanism， RPM）的理论模型则预测，同位素依赖性和施加的弱磁场也会影响微管。本研究旨在通过严谨的实验，在具有生物学相关性的化学体系中，首次同时观测到弱磁场和同位素效应，并与RPM理论描述相符，以验证其在解释生物现象方面的更广泛适用性。

为解决这一问题，研究团队开展了一项围绕“弱磁场与不同镁（Mg）同位素对微管蛋白聚合动力学影响”的实验与模拟研究。研究人员制备了分别含天然丰度镁（^NatMg， 主要含²⁴Mg）、仅含²⁵Mg以及仅含²⁶Mg的聚合缓冲液，并使用²⁵Mg和²⁶Mg的高纯度同位素氧化物。通过构建一个产生2.99±0.02毫特斯拉均匀磁场的亥姆霍兹线圈装置，研究团队系统测量了在不同磁场条件下，微管蛋白聚合的光密度（OD）变化。数据分析方面，研究人员对所有复制数据进行了归一化处理，排除了板间差异，并利用二因素方差分析（ANOVA）和图基-克雷默事后检验进行统计比较，确保观察到的效应来自磁场和同位素核自旋，而非温度、pH或同位素质量等混杂因素。

主要研究技术与方法

本研究主要采用了微管蛋白聚合实验，通过测量355纳米波长下的光学密度（OD）来量化聚合过程。实验中，使用了高纯度猪源微管蛋白，并严格控制了缓冲液成分。磁场环境通过亥姆霍兹线圈系统精确产生和控制，用于施加3毫特斯拉的均匀弱磁场。为排除混杂因素，研究人员还系统测量了微孔板内的温度和磁场分布。数据分析采用了统计建模方法，并结合了一个基于自由基对机制的动力学模型，使用微分演化算法对模型参数进行优化，以验证和解释实验观察到的同位素和磁场效应。

研究结果

弱磁场增强²⁵Mg同位素存在时的微管蛋白聚合

实验发现，在施加约3毫特斯拉磁场的情况下，含有²⁵Mg（核自旋I=5/2）的样品中，微管聚合总量显著增加（P < 10^-7），而含有^NatMg或²⁶Mg（核自旋I=0）的样品，在磁场开启和关闭条件下则未表现出显著差异。这排除了同位素质量差异（即动力学同位素效应）、孔间温度差异或孔间磁场差异等其他假设的解释，表明观察到的效应源于外加弱磁场和²⁵Mg的非零核自旋。

关于磁场和同位素对微管动力学影响的自自由基对模型

为了解释实验结果，研究者建立了一个结合微管动力学和RPM的数学模型。该模型将弱磁场和Mg同位素效应对解聚速率（k_d）的调制，通过自由基对三重态产额（Φ_T）的变化联系起来。该通用模型考虑了两个自旋1/2的核自旋（每个自由基一个）以及一个与其中一个自由基耦合的²⁵Mg核自旋（I=5/2）。模型成功捕捉到了在不同磁场条件下，使用不同Mg同位素时微管聚合的变化趋势，并得出了与实验数据吻合的参数范围。该模型不仅与实验数据一致，还具有预测能力。例如，模型预测当磁场强度超过5毫特斯拉时，²⁵Mg条件下的微管聚合将进一步减少，低于在3毫特斯拉时观察到的水平。同时，模型也预测在亚磁场（HMF， <5微特斯拉）条件下，聚合会显著减弱，这与此前观察到的HMF降低微管密度的结果相符。

研究结论与讨论

本研究提供了明确的实验证据，表明弱磁场和²⁵Mg同位素对微管聚合动力学的影响，与自由基对机制的理论描述一致。在排除了其他潜在混杂因素后，研究者得出结论：观察到的效应源于外加弱磁场和²⁵Mg的非零核自旋。

尽管实验表明Mg在结果中起作用，但文中提出的RPM模型是通用的，并未明确指出所涉及的具体自由基。研究者考虑了多种可能性。考虑到微管组装中除GTP（三磷酸鸟苷）的Mg依赖性水解外，所有相互作用均为非共价分子相互作用，GTP水解过程的化学中间体是参与RPM的理想候选者。该过程涉及Mg²⁺离子（镁离子）协调水分子，引发对GTP末端γ-磷酸基团的亲核攻击，生成GDP（二磷酸鸟苷）和无机磷酸盐（P_i）。然而，模型参数优化的结果表明，与Mg^•+（镁自由基）相关的超精细耦合常数（HFCC）远小于已知值，表明该体系中的自由基更可能是具有离域未配对电子的物种，其与²⁵Mg核自旋的耦合较弱。光诱导产生的自由基（如超氧阴离子与色氨酸）也可能是原因，但有机自由基通常具有许多超精细耦合，这会抑制弱磁场效应。

这项研究的意义深远。它为理解弱磁场通过量子机制影响生物学过程提供了新的直接实验证据。从更广泛的应用角度看，微管动力学紊乱与阿尔茨海默病等神经退行性疾病密切相关，而大脑中镁水平的升高已被证明在AD模型中具有突触保护作用，弱磁场也被证明会影响学习和记忆。本研究表明，弱磁场可能通过一个对Mg敏感的RPM影响微管聚合，这表明外部磁场或同位素变化可能通过量子传感机制影响神经元稳定性。探究这些量子效应可能为理解神经退行性疾病进展和开发治疗策略开辟新途径。

总而言之，本研究证明了弱磁场和镁同位素对微管聚合动力学的影响与自由基对动力学的理论描述一致。尽管其潜在的化学机制尚不完全清楚，但所提出的通用RPM模型准确地解释了微管组装中的同位素效应。这展示了RPM在理解生物学中弱磁场效应和同位素效应方面的巨大潜力。