[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究证明，当天然酵母液泡质子-ATP酶（V-ATPase）暴露于由音乐产生的振荡电场时，其ATP水解活性发生改变，且该效应与音乐傅里叶频谱中的特定频带强烈相关。关键发现是，与酶估计旋转速率（约10 Hz）谐波相关的频率可最大程度地刺激或抑制活性，揭示了由于干扰周期性跨膜电荷移动而产生的类似共振效应。

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.

研究动机与目标

• 研究源自真实音乐的复杂非正弦振荡电场是否能调节其天然膜环境中天然V-ATPase的活性。
• 确定音乐中特定频率分量是否与V-ATPase活性的变化相关，从而挑战神秘或玄学影响的观念。
• 通过将酶动力学与外部电磁刺激联系起来，为音乐对生物分子产生影响的观察结果提供合理的生物物理解释。
• 建立一种通过非侵入性、生理相关电刺激探测旋转酶功能的方法。

提出的方法

• 使用富含天然V-ATPase的酵母液泡膜囊泡作为生物系统，在20 °C下控制条件下测量ATP酶活性。
• 将音乐片段转换为交流（AC）信号，并通过石铂电极施加于比色皿中，从而在囊泡悬浮液中产生振荡电场。
• 使用磷酸盐测定法通过光度法定量ATP水解，通过使用浓度为1 µM的concenamycin A校正非特异性ATP酶活性。
• 对音乐片段进行傅里叶频谱分析（快速傅里叶变换），以提取频率分量并识别主要频带。
• 对音乐中特定频带与V-ATPase活性变化之间的相关性进行分析，重点关注谐波关系。
• 所有音频片段均归一化至一致的均方根强度（-22.53 dB），并以2.24 V的峰值电压播放，产生62.5 V/cm的有效电场强度。

实验结果

研究问题

• RQ1 源自真实音乐的振荡电场是否能调节天然V-ATPase在天然膜环境中的ATP水解活性？
• RQ2 音乐中是否存在与V-ATPase活性增强或降低相关的特定频率分量？
• RQ3 所观察到的效应是否与V-ATPase酶的旋转动力学相关，特别是当电场频率与其估计旋转速率匹配时？
• RQ4 V-ATPase的‘音乐偏好’现象是否可通过涉及周期性电荷移动的物理共振机制加以解释？
• RQ5 音乐主要频率与酶旋转速率之间的谐波关系是否增强了对酶活性的影响？

主要发现

• 天然酵母液泡囊泡中V-ATPase的ATP水解活性在最具刺激性和最具抑制性的音乐片段之间存在显著差异，最高达2.5倍。
• 影响V-ATPase活性的最显著音乐频带彼此之间以及与酶估计旋转速率（约10 Hz）呈谐波关系。
• 在特定V-ATPase活性变化与以10 Hz及其谐波（如20 Hz、30 Hz）为中心的频率带总强度之间观察到强烈相关性。
• 当囊泡用离子载体处理变得通透后，该效应消失，证实是膜放大的电场而非直接电流驱动了调节作用。
• 施加的电场强度（62.5 V/cm）足以影响酶活性，且每首音乐片段在三次独立重复实验中均表现出可重复性。
• 结果表明，振荡电场干扰了V-ATPase旋转机制固有的周期性跨膜电荷移动，为观察到的‘音乐效应’提供了物理基础。