핵 스핀은 산소와 관련된 생물학적 과정에 영향을 미칩니다

핵 스핀이 특정 생물학적 과정에 미치는 영향은 이스라엘의 연구자에 의해 처음으로 관찰되었습니다. 예루살렘 히브리 대학의 요시 팔티엘(Yossi Paltiel)이 이끄는 팀은 산소 동위원소와 키랄 생체분자 사이의 상호작용이 동위원소의 핵 스핀에 어떻게 의존하는지 보여주는 두 가지 실험을 수행했습니다.

자연계의 많은 과정은 광합성과 일부 동물의 지구 자기장 감지 능력을 포함하여 전자 스핀의 영향을 받습니다. 그러나 최근까지 핵의 스핀이 생물학적 과정에 영향을 미치지 않는다고 가정되어 왔습니다.

이제 Paltiel 팀은 핵 스핀이 다양한 산소 동위원소가 키랄 생체분자와 상호 작용하는 방식에 영향을 미칠 수 있음을 발견했습니다.

Paltiel은 “우리 연구는 삶의 키랄성 규칙을 조사합니다.”라고 설명합니다. "우리는 현재 전자 스핀과 키랄성 사이의 연결을 설정하는 '키랄 유도 스핀 선택성'(CISS)의 효과를 조사하고 있습니다."

키랄성은 회전 및 평행 이동을 사용하여 거울 이미지에 매핑할 수 없는 개체가 보유한 비대칭 속성입니다. 친숙한 예는 인간의 손입니다. 실제로 키랄은 손을 뜻하는 그리스어에서 파생되었으며 키랄 물체는 오른손잡이 또는 왼손잡이로 지칭됩니다.

많은 중요한 생체분자가 오른쪽 및 왼쪽 버전으로 존재할 수 있지만 자연에서는 하나의 키랄성이 지배적인 경향이 있습니다. CISS는 특정 방향(예: 위쪽)으로 스핀을 갖는 전자가 반대 방향(아래)으로 스핀을 갖는 전자와 다른 방식으로 키랄 분자와 상호 작용한다는 것을 의미합니다.

이제 Paltiel과 동료들은 핵 스핀이 CISS와도 관련이 있음을 보여주었습니다. 연구진은 세 가지 안정한 산소 동위원소를 포함하는 두 가지 실험을 시작했습니다. 산소-16과 산소-18은 둘 다 핵스핀이 0이고, 산소-17은 핵스핀이 5/2입니다.

그들의 첫 번째 실험은 광합성의 중요한 과정인 물의 전기분해와 관련이 있었습니다. 여기서 팀은 CISS 효과를 사용하여 스핀 선택형 전자 전류를 생성했습니다. 이는 균일한 키랄성을 갖는 분자층으로 양극을 코팅함으로써 이루어졌습니다. 양극은 전기분해에 의해 산소 분자가 생성되는 곳이며, 스핀 선택형 전자 전류가 사용될 때 이러한 생성이 강화되는 것으로 알려져 있습니다.

실험에 사용된 물에는 산소 동위원소 3개가 포함돼 있는데, 연구진은 생성된 산소의 동위원소 조성이 핵스핀에 영향을 미치는지 분석했다. 그들은 노출된 양극을 사용할 때보다 키랄 코팅을 사용할 때 산소-17을 포함하는 산소 분자가 훨씬 더 적게 생성된다는 것을 발견했습니다. 연구팀은 이것이 CISS가 핵 스핀과도 관련될 수 있음을 보여준다고 말했습니다.

두 번째 실험에서 Paltiel 팀은 살아있는 인간 세포막을 통한 물의 이동을 조사했습니다. 세포막 내에서 물은 아쿠아포린이라는 특수 단백질을 통해 전달되며, 이는 다른 이온이나 용질이 물과 함께 통과하는 것을 방지합니다.

이 선택성을 담당하는 분자는 키랄이므로 CISS가 물 수송 과정에 관여하는지 테스트하는 방법을 제공합니다. 연구진은 산소-17과 산소-18을 함유한 물 분자가 아쿠아포린을 통해 어떻게 운반되는지 조사했습니다. 그들은 한 동위원소의 수송이 다른 동위원소보다 더 선호된다는 사실을 발견했으며, 이는 CISS가 인간 세포를 통한 물의 수송에 관여한다는 것을 다시 보여줍니다.

키랄성은 그래핀 트랜지스터의 전류 흐름에 영향을 미칩니다

Paltiel은 “우리의 연구는 핵 스핀이 생물학적 과정에서 중요한 역할을 한다는 것을 보여주며, 핵 스핀의 조작이 생명공학 및 양자 생물학의 획기적인 응용으로 이어질 수 있음을 시사합니다.”라고 말했습니다. "이것은 잠재적으로 동위원소 분별 과정에 혁명을 일으키고 NMR(핵자기공명)과 같은 분야에서 새로운 가능성을 열어줄 수 있습니다."

NMR은 외부 자기장을 사용하여 물질의 핵 스핀을 조사하는 것과 관련됩니다. 그러나 지금까지 수소 이외의 기술에 적합한 생물학적 시스템의 자기 동위원소는 극히 드물고 정제하기 어려웠습니다. 연구팀의 발견은 생물학적 시스템에서 자기 동위원소 산소-17을 풍부하게 하는 가능한 방법을 제시하며, 이는 NMR을 사용하여 감지할 수 있습니다.