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物理学 > 生物物理

arXiv:2503.02923 (physics)
[提交于 2025年3月4日 ]

标题: 电子自旋动力学引导细胞运动

标题: Electron spin dynamics guide cell motility

Authors:Kai Wang, Gabrielle Gilmer, Matheus Candia Arana, Hirotaka Iijima, Juliana Bergmann, Antonio Woollard, Boris Mesits, Meghan McGraw, Brian Zoltowski, Paola Cappellaro, Alex Ungar, David Pekker, David H. Waldeck, Sunil Saxena, Seth Lloyd, Fabrisia Ambrosio
摘要: 多种生物利用地磁场(GMF)进行迁徙。 迁徙的鸟类采用一种内在的量子力学机制来检测地磁场:吸收蓝光会产生一个自由基对,其两个电子在磁场中以不同的速率进动,从而使细胞对GMF的方向敏感。 在这项工作中,使用体外损伤模型,我们发现了一种基于量子的细胞迁移机制。 具体而言,我们表明迁移的细胞通过光学激活的电子自旋机制检测GMF。 细胞损伤会引发蓝光的急性发射,这些光使肌肉前体细胞对磁场敏感。 我们表明,肌肉前体细胞的磁敏感性是(a)由蓝光激活,而不是由绿光或红光激活,以及(b)被施加与电子自旋/磁场相互作用能量对应的振荡场所破坏。 蛋白质表达的综合分析显示,蓝光促进细胞运动的能力是通过激活钙调素钙传感器介导的。 总体而言,这些数据表明细胞具有依赖于光的磁罗盘,该罗盘由电子自旋动力学驱动。
摘要: Diverse organisms exploit the geomagnetic field (GMF) for migration. Migrating birds employ an intrinsically quantum mechanical mechanism for detecting the geomagnetic field: absorption of a blue photon generates a radical pair whose two electrons precess at different rates in the magnetic field, thereby sensitizing cells to the direction of the GMF. In this work, using an in vitro injury model, we discovered a quantum-based mechanism of cellular migration. Specifically, we show that migrating cells detect the GMF via an optically activated, electron spin-based mechanism. Cell injury provokes acute emission of blue photons, and these photons sensitize muscle progenitor cells to the magnetic field. We show that the magnetosensitivity of muscle progenitor cells is (a) activated by blue light, but not by green or red light, and (b) disrupted by the application of an oscillatory field at the frequency corresponding to the energy of the electron-spin/magnetic field interaction. A comprehensive analysis of protein expression reveals that the ability of blue photons to promote cell motility is mediated by activation of calmodulin calcium sensors. Collectively, these data suggest that cells possess a light-dependent magnetic compass driven by electron spin dynamics.
评论: 带有补充材料的文章
主题: 生物物理 (physics.bio-ph) ; 细胞行为 (q-bio.CB); 量子物理 (quant-ph)
引用方式: arXiv:2503.02923 [physics.bio-ph]
  (或者 arXiv:2503.02923v1 [physics.bio-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2503.02923
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来自: Seth Lloyd [查看电子邮件]
[v1] 星期二, 2025 年 3 月 4 日 18:51:18 UTC (3,768 KB)
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