[논문 리뷰] Experimental evidence for long-distance electrodynamic intermolecular forces

Mathias Lechelon, Yoann Meriguet외 13명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 17.

Biofield Effects and Biophysics참고 문헌 59인용 수 45

한 줄 요약

이 연구는 생물분자 간 장거리 디폴드-디폴드 전자기력의 첫 실험적 증거를 제시하며, 테라헤르츠 분광법과 형광관계분광법을 통해 R-Phycoerythrin 단백질에서 공진 전자기 상호작용을 입증한다. 이 힘은 1000 Å까지 작용하며 레이저 유도 집합 분자 진동에 의해 활성화되며, 분자 간 거리의 세제곱에 반비례하는 주파수 이동을 보이며, 근처 세포 환경에서 분자 충돌 빈도를 증가시킬 수 있는 선택적이고 장거리의 인력임을 시사한다.

ABSTRACT

Both classical and quantum electrodynamics predict the existence of dipole-dipole long-range electrodynamic intermolecular forces; however, these have never been hitherto experimentally observed. The discovery of completely new and unanticipated forces acting between biomolecules could have considerable impact on our understanding of the dynamics and functioning of the molecular machines at work in living organisms. Here, using two independent experiments, on the basis of different physical effects detected by fluorescence correlation spectroscopy and terahertz spectroscopy, respectively, we demonstrate experimentally the activation of resonant electrodynamic intermolecular forces. This is an unprecedented experimental proof of principle of a physical phenomenon that, having been observed for biomacromolecules and with long-range action (up to 1000 Angstroms), could be of importance for biology. In addition to thermal fluctuations that drive molecular motion randomly, these resonant (and thus selective) electrodynamic forces may contribute to molecular encounters in the crowded cellular space.

연구 동기 및 목표

• . 고전적 및 양자 전자기론에서 예측된 장거리 전자기(ED) 분자 간 힘을 실험적으로 탐지하고자 하였다. 이 힘은 이전까지 관찰된 바가 없었다.
• . 단백질 내 비평형 집합 진동이 장거리 작용을 하는 공진 ED 상호작용을 활성화할 수 있는지 조사하고자 하였다.
• . 이러한 ED 힘이 랜덤 확산을 초월하여 농축된 세포 내 환경에서 분자 결합 속도를 증가시킬 수 있다는 가설을 검증하고자 하였다.
• . 수용성 이온 용액에서 테라헤르츠 신호를 감지하는 데 기술적 과제가 있었기에, 두 가지 새로운 근접장 테라헤르츠 센서 설비를 개발하고자 하였다.
• . 테라헤르츠 분광법과 형광관계분광법(FCS)이라는 두 가지 독립적인 실험 기법을 통해 ED 힘의 존재를 검증하고자 하였다.

제안 방법

• . 모델 단백질 시스템으로 R-Phycoerythrin(R-PE)을 사용하였으며, 488 nm 파장의 파란 레이저를 조사하여 비평형 집합 디폴드 진동을 유도하였다.
• . 두 가지 다른 테라헤르츠 분광법 설비를 사용하였다: 0.07–0.11 THz 범위의 레크티나 기반 센서와 0.25–0.37 THz 범위의 마이크로와이어 프로브 센서로, 모두 수용성 염류 용액에서 약한 테라헤르츠 신호를 감지하도록 설계되었다.
• . 레이저 조사된 단백질의 흡수를 분리하기 위해 비버퍼 및 비조명 대조군을 빼낸 후 비어-람베르트 정규화를 적용하였다.
• . 단백질 농도와 레이저 출력에 따른 확산 계수 변화를 측정하기 위해 형광관계분광법(FCS)을 시행하였다.
• . 자료 분석에 있어 사비츠키-골라이 스무딩(15점 창, 2차 다항식)과 시간에 따라 변화하는 피크 진폭 추적 기법을 사용하였다.
• . 인력 작용이 있는 ED 포텐셜 U(r) < 0에 의한 결합 속도 증가를 모델링하기 위해 스몰루크스키-데바이 공식을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 . 생리학적 조건에서 생물대분자 간 장거리 전자기 디폴드-디폴드 힘을 실험적으로 관찰할 수 있는가?
• RQ2 . 단백질 내 레이저 유도 집합 분자 진동이 측정 가능한 주파수 이동을 유도하는 공진 ED 상호작용을 활성화하는가?
• RQ3 . 집합 진동의 주파수 이동이 전자기론 예측에 따라 분자 간 거리의 세제곱에 반비례하는가?
• RQ4 . 강한 물 분자 흡수로 인해 수용성 이온 용액에서 테라헤르츠 분광법으로 이러한 힘을 감지할 수 있는가?
• RQ5 . FCS로 측정한 단백질 확산 계수 변화가 특정 농도와 조사 강도에서 ED 상호작용 발생과 관련이 있는가?

주요 결과

• . R-PE 단백질에서 집합 분자 진동의 주파수 이동이 관찰되었으며, 이는 분자 간 거리의 세제곱에 반비례하는 것으로, 장거리 디폴드-디폴드 전자기 상호작용과 일치하였다.
• . 주파수 이동은 농도(750 nM에서 60,000 nM) 및 레이저 출력 다수에서 실험적으로 확인되었으며, 조사 강도에 명확한 의존성이 있었다.
• . FCS 데이터에서 분포 클러스터링 전이가 관찰되어 고농도 및 고출력에서 장거리 인력 작용이 발생함을 시사하였으며, 이에 따라 확산 계수가 크게 감소하였다.
• . 조사된 단백질의 정규화된 흡수는 60분 동안 시간에 따라 피크 진폭이 증가하는 경향을 보였으며, 이는 지속적인 ED 상호작용 활성화를 시사하였다.
• . 레크티나 기반 설비는 0.07–0.11 THz 범위에서 단일 흡수 피크를 감지하였고, 마이크로와이어 프로브 설비는 0.25–0.37 THz 대역에서 시간에 따라 변화하는 공진을 확인하였으며, 모두 ED 힘 활성화와 일치하였다.
• . 스몰루크스키-데바이 공식에 의해 모델링된 관찰된 결합 속도 증가율은 순수 확산 속도(k∗a > ka)를 초월하여, 분자 충돌에서 측정 가능한 동역학적 이점을 나타내었다.