Számos állat használja a Föld gyenge mágneses terét a tájékozódáshoz, de a mágnesek egyébként alig gyakorolnak bizonyított hatást a biológiára. Ez általában jó dolog: azt jelenti, hogy az orvosok erős mágneses teret generáló MRI-készülékeket használhatnak anélkül, hogy az káros lenne a testre.

Egy sor közelmúltbeli vizsgálatban azonban a kutatók szándékosan olyan fehérjéket fejlesztettek ki, amelyek reagálnak a gyenge mágneses mezőkre, befolyásolva azok fénykibocsátó képességét és más molekulákhoz kötődését. Ez az MRI-hez hasonló képalkotó eszközök kifejlesztéséhez vezethet, amelyek révén lehetségessé válhat a betegségekhez köthető fehérjék nyomon követésére a testben. Továbbá olyan új gyógyszerek kifejlesztéséhez is vezethet, amelyek mágnesekkel kívülről be- és kikapcsolhatók. „Úgy gondolom, hogy egy új terület kialakulásának kezdetén állunk” – mondja Maria Ingaramo, a Nonfiction Laboratories nevű startup fehérjemérnök.

A legújabb fejleményként a kutatók nemrégiben a Nature oldalain számoltak be arról, hogy olyan fehérjéket fejlesztettek ki, amelyek képesek megváltoztatni fénykibocsátási képességüket gyenge mágneses mezők és rádiófrekvenciás fókuszált energiaimpulzusok kombinációjára reagálva. Ez megteremti a feltételeket ahhoz, hogy az MRI-hez hasonló műszerekkel, amelyek működéséhez azonban sokkal kevésbé erős mágnesek szükségesek, nyomon lehessen követni bizonyos fehérjéket a szervezetben.

Az orvosok minden nap nagy erősségű mágneses mezőket használnak az MRI-készülékekben az emberi szövetek leképezéséhez. Az MRI-készülékek kihasználják azt a tényt, hogy a szervezetben mindenütt jelen lévő vízben található protonok apró, forgó mágnesekként viselkednek. Az MRI mezői ezeknek a protonoknak a forgását egy irányba rendezik. A rádiófrekvenciás impulzusok megzavarják ezeket a forgásokat, lehetővé téve a detektorok számára, hogy érzékeljék jelenlétüket, és a szoftvernek, hogy feltérképezze eloszlásukat a szövetekben. De a gyenge mágneses mezők, mint például a Föld által vagy erős hűtőszekrénymágnesek által keltettek, úgy tűnik, hogy alig hatnak a szövetekre.

Az 1970-es években a kutatók felfedezték, hogy az ilyen gyenge mezők bizonyos szerves molekulák által kibocsátott fény elhalványulását okozhatják. Mivel azonban ez a hatás csak speciális szerves oldószerekben jelentkezett, a gyakorlati haszna nem volt jelentős. Nemrégiben Ingaramo hasonló, de csekély elhalványulást fedezett fel, amikor mágneses mezőt alkalmazott egy zöld fluoreszkáló fehérjékből álló csoporton.

A hatás fokozása érdekében egy LOV nevű fényérzékeny fehérjefragmentumot hívott segítségül, amelyet széles körben használnak optogenetikai kísérletekben, ahol a fragmentumot más fehérjékhez kapcsolják, majd fénynek teszik ki a funkciójuk megváltoztatása érdekében. Egy 2024-es előzetes publikációban Ingaramo és kollégái leírták, hogyan alakították ki a LOV-ot úgy, hogy reagáljon a mágneses mezőkre, és ezzel jelentősen csökkentse a hozzá kapcsolt fénykibocsátó fehérje fluoreszcenciáját.

Az elsötétülés oka egészen tavalyig nem volt teljesen világos, amikor Adam Cohen, a Harvard kutatója és kollégái a Journal of the American Chemical Society folyóiratban megjelent tanulmányukban ismertették a folyamat részletes mechanizmusát. Amikor a lézerfény fluoreszkáló fehérjéket gerjeszt, az elektronok a sejtekben mindenütt jelen lévő, flavinoknak nevezett közeli molekulákra ugorhatnak át, és párban rendeződhetnek, amelyek spinje vagy parallel, vagy antiparallel. Az antiparallel párokban lévő elektronok nagy valószínűséggel visszakerülnek a fehérjére, és eközben felesleges energiájukat fény formájában leadják. Cohen és kollégái azonban rájöttek, hogy mágneses mező hozzáadásával lassítható ez a visszatérés, mivel ez gátolja az antiparallel spinű elektronpárok kialakulását. „Így csökken a fluoreszcencia” – mondja Cohen.

Az új Nature-tanulmányban az oxfordi egyetem szintetikus biológusai, Harrison Steel és Gabriel Abrahams vezette kutatócsoport arról számol be, hogy rádiófrekvenciás impulzusok hozzáadásával, hasonlóan az MRI-készülékekben használtakhoz, sikerült szabályozniuk ezt a LOV-hoz kapcsolódó, fluoreszkáló fehérjékre gyakorolt tompító hatást. A fehérjék ismételt mutációjával és a legjobb jelöltek kiválasztásával olyan fehérjéket találtak, amelyek egy bizonyos rádiófrekvenciás impulzusok és mágneses mezők kombinációjánál erős mágneses reakciót mutatnak. A rádiófrekvenciás impulzusok alkalmazása, amelyek sokkal élesebben fókuszálhatók, mint a mágneses mező, lehetővé teszi a kutatók számára, hogy jobban nyomon kövessék a fehérjék helyét. „Ez nagyon izgalmas” – mondja Andrew York, a Chan Zuckerberg Biohub fizikusa. „Tudjuk, mi hozta létre a fotonokat, és tudjuk, honnan jöttek.”

Az egyetlen hátrány, hogy az oxfordi csoport fehérjéit még mindig lézerfénnyel kell gerjeszteni, hogy fluoreszkáljanak. Ez a fehérjék mikroszkópos tárgylemezen történő nyomon követéséhez megfelelő, de a szövetek mélyén nehéz lenne alkalmazni. Ingaramo és kollégái azonban egy még nem publikált tanulmányban azt állítják, hogy mágneses reakcióképességet valósítottak meg a LOV-hoz kötődő fehérjékben, amelyek fény helyett egy kémiai reakcióra reagálnak lumineszcenciával. Ingaramo elmondása szerint a kémiai reakciót olyan helyeken is ki lehet váltani, ahová a lézerfény nem jut el, így lehetséges a test mélyén található specifikus fehérjék nyomon követése.

Az eredmények újfajta mágneses terápiákhoz vezethetnek. A kutatók már mágneses mezőket használtak arra is, hogy csökkentsék az antitestek célpontjaikhoz való kötődési hajlamát. Ez segíthet a széles körben használt antitestkezelések finomításában és a mellékhatások csökkentésében.