[논문 리뷰] 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‐Nagy외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 02.

ATP Synthase and ATPases Research참고 문헌 43인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 음악에서 유도된 진동 전기장에 노출되었을 때 천연 효모 박층막 수소-ATP아제(V-ATPase)의 ATP 분해 활성이 변화함을 입증하며, 그 영향은 음악의 푸리에 스펙트럼 내 특정 주파수 대역과 강하게 상관됨을 보여준다. 주요 발견은 효소의 추정 회전 속도(약 10 Hz)와 조화를 이루는 주파수들이 최대 자극 또는 억제 효과를 나타내며, 이는 주기적인 막을 관통하는 전하 이동에 간섭함으로써 유도된 공명 유사 효과임을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실제 음악에서 유도된 복잡하고 비정현파 형태의 진동 전기장이 천연 V-ATPase의 활성을 그 자연적인 막 환경에서 조절할 수 있는지 조사하기 위해.
• 음악 내 특정 주파수 성분이 V-ATPase 활성의 변화와 상관관계가 있는지 확인하여, 난잡하거나 신비로운 영향이라는 개념에 도전하기 위해.
• 효소 역학과 외부 전자기 자극 간의 연결을 통해 음악이 생체분자에 미치는 관측된 영향에 대해 합리적이고 물리화학적 설명을 제공하기 위해.
• 비침습적이고 생리적으로 관련성이 있는 전기 자극을 통해 원형 효소 기능을 탐색하는 방법론을 수립하기 위해.

제안 방법

• 천연 V-ATPase를 포함한 효모 박층막 소포를 생물학적 시스템으로 사용하였으며, 20 °C에서 조건을 통제한 상태에서 ATP아제 활성을 측정함.
• 음악 클립을 교류(AC) 신호로 변환하여 ���라티늄 전극을 통해 쿠베티에 적용함으로써 소포 혼탁액에 진동 전기장을 생성함.
• photometric 방법을 사용하여 인산염 분석을 통해 ATP 분해를 정량화하였으며, 비특이적 ATP아제 활성을 concanamycin A (1 µM)를 사용하여 보정함.
• 음악 클립에 대해 푸리에 스펙트럼 분석(Fast Fourier Transform)을 수행하여 주파수 성분을 추출하고 주요 대역을 식별함.
• 특정 주파수 대역과 V-ATPase 활성 변화 사이의 상관관계 분석을 실시하였으며, 특히 조화 관계를 중심으로 집중함.
• 모든 오디오 클립은 일관된 효과적 루트 평균 제곱 강도(-22.53 dB)로 정규화되었으며, 피크 전압 2.24 V로 재생되어 62.5 V/cm의 효과적 전기장 강도를 제공함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 음악에서 유도된 진동 전기장이 천연 V-ATPase의 ATP 분해 활성을 그 자연적인 막 환경에서 조절하는가?
• RQ2 음악 내 특정 주파수 성분이 V-ATPase 활성의 향상 또는 감소와 상관관계가 있는가?
• RQ3 관측된 효과가 V-ATPase 효소의 회전 역학과 관련이 있는가, 특히 전기장 주파수가 효소의 추정 회전 속도와 일치할 경우에?
• RQ4 V-ATPase의 '음악적 선호' 현상은 주기적인 전하 이동에 관여하는 물리적 공명 메커니즘으로 설명될 수 있는가?
• RQ5 주요 음악 주파수와 효소의 회전 속도 사이의 조화 관계가 효소 활성에 영향을 미치는 데 강화 효과를 나타내는가?

주요 결과

• 천연 V-ATPase의 효모 박층막 소포에서 ATP 분해 활성은 가장 자극적인 음악 클립과 가장 억제적인 음악 클립 사이에서 최대 2.5배의 차이를 보였다.
• V-ATPase 활성에 영향을 미친 주요 주파수 대역은 상호 간에 조화를 이루며, 효소의 추정 회전 속도인 약 10 Hz와도 조화를 이룸.
• 특정 V-ATPase 활성 변화와 10 Hz 및 그 고조파(예: 20 Hz, 30 Hz) 중심 주파수 대역의 병합 강도 사이에 강한 상관관계를 관찰함.
• 이온포어를 사용해 소포를 누출시킨 경우 효과가 없었으며, 이는 막을 통해 증폭된 전기장이 아니라 직접 전류가 조절의 원인이 아니라는 것을 확인함.
• 적용된 전기장 강도(62.5 V/cm)는 효소 활성에 영향을 미칠 수 있었으며, 각 음악 클립에 대해 세 번의 독립적 복제 실험에서 재현 가능함.
• 결과는 진동 전기장이 V-ATPase의 원형 메커니즘에 내재된 주기적인 막을 관통하는 전하 이동에 간섭함을 시사하며, 관측된 '음악적' 효과에 물리적 기반을 제공함.