[論文レビュー] The activity of native vacuolar proton-ATPase in an oscillating electric field -- demystifying an apparent effect of music on a biomolecule

Pál Petrovszki, Krisztina Sebök‐Nagy+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 2, 2020

ATP Synthase and ATPases Research参考文献 43被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、音楽から生成される周期的電場にさらされた際、天然の酵母液胞プロトン-ATPアーゼ（V-ATPase）のATP加水分解活性が変化することを示しており、その効果は音楽のフーリエスペクトル内の特定周波数帯と強く相関している。主な発見は、酵素の推定回転速度（約10 Hz）と調和的関係にある周波数が、活性を最大に刺激または抑制することであり、周期的な膜貫通電荷移動に干渉することで生じる共鳴的効果を示している。

ABSTRACT

The effect of an oscillating electric field generated from music on yeast vacuolar proton-ATPase (V-ATPase) activity in its native environment is reported. An oscillating electric field is generated by electrodes that are immersed into a dispersion of yeast vacuolar membrane vesicles natively hosting a high concentration of active V-ATPase. The substantial difference in the ATP hydrolysing activity of V-ATPase under the most stimulating and inhibiting music is unprecedented. Since the topic, i.e. an effect of music on biomolecules, is very attractive for non-scientific, esoteric mystification, we provide a rational explanation for the observed new phenomenon. Good correlation is found between changes in the specific activity of the enzyme and the combined intensity of certain frequency bands of the Fourier spectra of the music clips. Most prominent identified frequencies are harmonically related to each other and to the estimated rotation rate of the enzyme. These results lead to the conclusion that the oscillating electric field interferes with periodic trans-membrane charge motions in the working enzyme.

研究の動機と目的

• 音楽から得られる複雑で正弦波でない周期的電場が、天然の膜環境に存在するV-ATPaseの活性をどのように調節するかを調査すること。
• 音楽内の特定周波数成分がV-ATPase活性の変化と相関しているかどうかを特定すること。これは、神秘的または超自然的影響という考えを疑問視するものである。
• 酵素の動態と外部の電磁的刺激との関連を明確にすることで、音楽がバイオ分子に与える影響を合理的かつ物理的根拠をもって説明すること。
• 非侵襲的かつ生理的に妥当な電気的刺激を用いて回転酵素の機能を調べるための手法を確立すること。

提案手法

• 天然のV-ATPaseを豊富に含む酵母液胞膜ビスマスを生物学的系として用い、20 °Cで制御された条件下でATPアーゼ活性を測定した。
• 音楽クリップを交流（AC）信号に変換し、セルのプラチナ電極を介して印加することで、ビスマス懸濁液に周期的電場を生成した。
• ATP加水分解をリン酸定量法を用いて分光光度的に測定し、コンカナマイシンA（1 µM）を用いて非特異的ATPアーゼ活性を補正した。
• 音楽クリップのフーリエスペクトル解析（高速フーリエ変換）を実施し、周波数成分を抽出し、主要なバンドを同定した。
• 音楽内の特定周波数帯とV-ATPase活性の変化との相関分析を実施し、特に調和的関係に注目した。
• すべての音声クリップを一貫した平均二乗強度（-22.53 dB）に正規化し、ピーク電圧2.24 Vで再生した。これにより、有効電場強度は62.5 V/cmとなった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 本物の音楽に由来する周期的電場が、天然の膜環境に存在するV-ATPaseのATP加水分解活性を調節するか？
• RQ2 音楽に含まれる特定周波数成分がV-ATPase活性の増強または低下と相関しているか？
• RQ3 観察された効果が、V-ATPase酵素の回転ダイナミクスに関連しているか。特に、電場の周波数がその推定回転速度と一致する場合にそうか？
• RQ4 V-ATPaseの『音楽的好み』は、周期的電荷移動に起因する物理的共鳴メカニズムによって説明可能か？
• RQ5 音楽の主要周波数と酵素の回転速度との間の調和的関係が、酵素活性への影響を強化しているか？

主な発見

• 天然の酵母液胞ビスマスに存在するV-ATPaseのATP加水分解活性は、最も刺激的で最も抑制的な音楽クリップとの間で最大2.5倍の差を示した。
• V-ATPase活性に影響を与える顕著な周波数帯は、互いに調和的関係にあり、酵素の推定回転速度（約10 Hz）とも調和的関係にあった。
• 特定のV-ATPase活性の変化と、10 Hzおよびその高調波（例：20 Hz、30 Hz）を中心とする周波数帯の合成強度との間に強い相関が観察された。
• イオンキャリアを用いてビスマスを漏れやすくした場合には効果が認められず、膜によって増幅された電場、ならびに直接電流ではなく、それが調節の原因であることが確認された。
• 適用された電場強度（62.5 V/cm）は酵素活性に影響を与えるのに十分であり、各音楽クリップについて3回の独立した再現性が確認された。
• 結果から、周期的電場がV-ATPaseの回転機構固有の周期的膜貫通電荷移動に干渉していることが示され、観察された『音楽的』効果の物理的根拠が得られた。