細胞オルガネラを輸送し、細胞分裂、筋肉収縮などの細胞活動の段階を設定する際の分子モーター (モーター タンパク質) の動きは、細胞音の根本的な原因であると考えられています。細胞の音の研究はソノサイトロジーと呼ばれます。
飛躍する、仕事を辞める、好きな人に告白する、ランダムな暴力的な考えを声に出すようにしばしばあなたに告げる内なる声は、実際にはあなたの細胞が交響曲を歌っているのかもしれません.
そうではありませんが、あなたの細胞は歌っています そして、彼らはオペラ歌手にお金をかけられるかもしれません.
2004 年の研究者は、細胞が振動することを発見しました。それらの振動が増幅されると、鳴き声のように聞こえます。また、個々の細胞はそれぞれ固有の振動をしていると考えられています。科学者たちは、これらの鳴き声を解読することで、細胞の状態を認識し、病気の到来を予測するのに役立つ可能性があると主張しています。細胞の音に関するこの研究は、ソノサイトロジー (「ソノス」～音、「細胞学」～細胞の構造と機能の研究) と呼ばれます。
ソノサイトロジーの発見
UCLA の教授であり物理学者でもある Jim Gimzewski は、大学院生の Andrew Pelling とともに、細胞音を発見した研究者でした。ジムの関心は、医学研究者のカルロ・ベンチュラが幹細胞とその心臓発作患者への移植に関する彼の進行中の研究について彼に知らせたとき、その問題に刺激されました.幹細胞は、心臓病患者を助けるために、正確に適切なタイミングで (ちょうど鼓動を開始するときに) 移植する必要があります。ジムはカルロにいくつかの細胞を送ってくれるように頼み、細胞が鼓動を開始する発達の正確な瞬間を見つけるために細胞に耳を傾けると述べました.
彼はまた、他のすべての細胞が拍動するのか、それとも心臓の細胞に特有のものなのかにも興味を持っていました.さらに、すべての細胞が実際に心臓細胞のように鼓動している場合、振動は検出可能な音を生成するのに十分でしょうか?
ジムとペリングは、原子間力顕微鏡 (AFM) を利用して細胞の音を聞きました。 (写真提供:Zureks/Wikimedia Commons)
楽器の専門家であるジムは、細胞が発する音は肉眼では聞こえないが、高感度の装置を使えば検出できることを知っていました。そのため、2 人は原子間力顕微鏡 (AFM) を利用して研究を行い、細胞の音を聞きました。
9.11 の悲惨な状況により、幹細胞は届きませんでした。しかし、ジムは細胞の歌を聞くのが待ちきれず、代わりに UCLA の同僚から入手した酵母細胞で実験することにしました。酵母細胞は、増殖速度が速く、遺伝子の数が少ないため、多くの生物学的研究の中心となっています.
UCLA のヤング ホールの地下にある小さな防音室での Gimzewski と Pelling の研究は、最終的に 2004 年にソノサイトロジーの分野を確立することにつながりました。
原子間力顕微鏡 (AFM)
細胞の音についてさらに詳しく説明する前に、これらの研究者がこれらの音を検出するために使用した装置を簡単に見てみましょう。
原子間力顕微鏡は、非常に小さな物体の画像を作成できる高感度走査型プローブです。これには、ナノメートル (1 ナノメートル =10–9 メートル) 未満の物体が含まれます。人間の髪の毛自体の幅は約 80,000 ～ 100,000 nm であり、AFM はそれよりもはるかに小さいオブジェクトをイメージングできます。
AFM は、一方の端に取り付けられた非常に小さな先端 (通常はシリコンまたは窒化シリコンでできている) を持つカンチレバー ビームで構成されます。レコード プレーヤーと同じように、チップがイメージング対象の表面に接触し、xyz ドライブがカンチレバー ビームを表面上で移動させます。先端は、表面の「丘」または「谷」を検出するたびに偏向します。このたわみは、カンチレバー ビームから反射されるレーザーによって検出されます。チップがたわむたびに、レーザーも方向を変えなければなりません。最終結果は、ナノスコピック オブジェクトの表面にマッピングされたすべての丘と谷を含む詳細な画像です。
細胞が歌う理由
歌っている細胞に話を戻すと、Gimzewski と Pelling による酵母細胞での最初の実験は世界に衝撃を与えました。 AFM は、細胞壁から生じる定期的な振動を記録しました。細胞壁は 3 ナノメートル (音波の振幅) だけ上下し、これを毎秒 1,000 回近く繰り返しました (音波の周波数)。変換ソフトウェアを使用して、2 人は AFM 画像を人間の耳に聞こえる音に変換することに成功しました。その結果、約 880 Hz のトーンが得られました。
しかし、Gimzewski と Pelling は、この音は顕微鏡の内部機構によるものではないかと心配していました。したがって、ペアは酵母細胞でさらに多くのテストを実行して、最初の発見を確認しました.
彼らは、細胞を消毒用アルコール（細胞膜を破壊し、細胞死に至ることが知られている）に浸して、音のピッチに変化があるかどうかを確認しました.ジム自身の言葉を引用すると、消毒用アルコールは細胞を最初は悲鳴を上げ、その後沈黙させて死に至らしめました。異なる化学媒体や温度などのさまざまな条件で実験を繰り返した後、異なるタイプの細胞で、各細胞が独自の音を生成すると結論付けました。彼らの実験では、音が内部から発生している可能性も示唆されました
微小管に沿って移動するモータータンパク質キネシン。 (写真提供:Jzp706/Wikimedia Commons)
ジムは、音は分子モーターの動きに由来すると考えています。分子モーターは、細胞内の物質の輸送を担う生物学的機械です。それらは本質的にタンパク質分子であり（モータータンパク質とも呼ばれます）、ATP加水分解からの化学エネルギーを利用して細胞の細胞質に沿って移動します.これらのモータータンパク質の中には、ミトコンドリア、ゴルジスタックなどの細胞小器官を細胞内の個々の場所に運ぶ役割を担うものもあれば、細胞分裂、筋肉収縮などの現象の舞台を設定するものもあります。モータータンパク質の例は、キネシン、ミソシン、ダイニンなど
モータータンパク質は細胞骨格 (細胞の構造的完全性と形状の維持に関与) に接続されており、細胞骨格は細胞膜に接続されています。したがって、モータータンパク質の動きは、細胞骨格を通じて細胞膜を振動させ、細胞膜まで運ばれると考えられています.
ジムの計算によると、運動タンパク質が動いて音を出すのに必要なエネルギーは同じです。ジムの理論を支持して、モーター分子は毎秒およそ 1000 歩を踏みます。これは、AFM が記録した音の周波数でもありました。したがって、細胞内のモータータンパク質の統一された動きが、細胞の音の背後にある理由であると考えられています!
最後の言葉
新しい研究のたびに、新しい批評家がやってきます。可聴音を生成するのに十分な分子モーターがないため、リボソームが細胞を歌わせている可能性があると考える人もいます。しかし、科学者たちは現在、決定的な起源を見つけることよりも、細胞の音を公共の利益のためにどのように使用できるかに焦点を当てています.
これまでに提案された細胞音とソノサイトロジーの分野の最も興味深いアプリケーションは、癌などの病気の検出です。前述のように、異なる種類の細胞は異なる種類の音を出します。これには、変異細胞やがん細胞も含まれます。癌細胞はより柔らかい細胞膜を持っていることが知られているため、すべてが計画どおりに進むと、細胞の音と AFM を使用して、単一細胞のチェックが行われます。 がんの診断には十分かもしれません。また、ソノサイトロジーは、さまざまな病気にかかった細胞が発する音のライブラリを作成して、その発生や発生を予測するのに役立ちます!
