与铁蛋白相关的电子隧道效应早在1988年就被提出，但尽管有大量证据表明它确实存在，但人们仍然对它持怀疑态度。在我们最近发表在《IEEE分子、生物和多尺度通信汇刊》上的论文中，我和我的合著者回顾了铁蛋白中电子隧道效应的证据，以及这种电子隧道效应可能被生物系统使用的证据，包括视网膜、耳蜗、巨噬细胞、神经胶质细胞、线粒体和磁感应系统。
虽然这些不同的系统属于不同的研究领域，但我们希望本文能够提高人们对与铁蛋白相关的电子隧道机制的认识，并鼓励进一步研究包含铁蛋白的生物系统中的这种现象，特别是在没有明显需要的情况下这些系统中铁蛋白的铁存储功能。
铁蛋白简史和铁蛋白研究
(资料图)
铁蛋白是一种铁储存蛋白，可自组装成直径为12纳米、厚度为2纳米的球壳，在直径为8纳米的核心中可储存多达约4,500个铁原子。单细胞生物的进化历史似乎可以追溯到12亿年前，看起来可能相当古老，但应该记住，单细胞生物被认为是在约35亿年前首次进化的。因此，铁蛋白的进化可能需要超过20亿年的时间。当第一个多细胞生物在约6亿年前进化时，铁蛋白家族的成员可能就存在，并且今天几乎在所有植物和动物中都可以找到它们。
铁蛋白可能具有某些量子力学特性的第一个建议早在1988年就提出了，即量子力学发现88年之后，也是量子点发现之后的8年。铁蛋白。量子力学特性包括铁在铁蛋白壳核心形成晶体结构的方式产生的磁性行为和电子隧道效应。
论文中讨论的后续研究提供了大量证据证明这种量子力学特性的存在。然而，这个具有十亿年历史的生物结构中的这些特性似乎主要被认为是一种好奇心或人工制品，而不是量子生物制剂。量子生物学作为一项研究一直受到生物学家和许多其他科学家的怀疑(尽管许多100多年前发现量子力学的科学家相信它可以应用于生物学)，但它是一个不断发展的领域，研究正在进行中在许多顶尖大学，如加州理工学院、耶鲁大学、芝加哥大学和加州大学洛杉矶分校。
什么是电子隧道效应?
量子力学提出，电子、质子、中子和其他被称为亚原子“粒子”的物体的物理性质是用概率波来定义的。这些粒子的波状行为的实验证据已经获得并被普遍接受。这些实验将这些波描述为在时间和空间的某个位置检测到粒子的物理特性的概率，这有时被称为波函数的“崩溃”。
然而，粒子坍缩时除了波函数的行为外没有任何变化。当波函数的行为符合薛定谔波函数时，它可以被称为“相干的”，而当它与其他粒子相互作用并且不再按照该波函数的行为时，它可以被称为“非相干的”。
真空中电子的空间波特性在室温下可以具有约5纳米的波长，这对于分子相互作用具有重要意义。当电子彼此“接触”时，电子可以在分子之间移动(认识到分子中原子和亚原子粒子的波函数实际上是相互作用的)，这可以称为绝热或经典行为，但在在适当的条件下，电子可以在分子之间“隧道”，这意味着它可以以绝热或经典行为不允许的方式从一个分子移动到另一个分子。这并没有什么神秘的，它只是电子的一种物理性质，但由于波函数是概率波，所以它看起来很神秘。
我的一些合著者已经证明，在连续的隧道事件中，电子似乎可以通过铁蛋白隧道传输长达12nm的距离，并且铁蛋白核心材料的不寻常的磁性可能与这种异常长的电子隧道距离有关。这项工作基于所谓的“固态”实验，不涉及活的生物系统。由于电子隧道效应无法直接观察到，因此必须从其他证据(例如测量的电流和电压)中推断出来。在生物系统中，获得这种电子隧道效应的证据可能更加困难，但这并非不可能。
含有铁蛋白的生物系统中的电子隧道
有几种提议的细胞反应与铁蛋白中的电子隧道相关。第一个是电子存储。在细胞外的实验室测试中(有时被称为“体外”，拉丁术语的意思是“在玻璃中”)，铁蛋白在水溶液中储存电子数小时的能力已被证明。这是不寻常的，因为一旦接收到电子，储存在铁蛋白内的铁就会被释放，但这不会很快发生。这一观察结果表明，电子不容易通过经典传导穿过绝缘蛋白质壳，而是通过电化学或隧道效应移动。
证据还表明，在固态测试中，电子在通过铁蛋白的单次隧道事件中可以隧道传输长达8纳米的距离，因此存储在铁蛋白核心内的电子可能可以隧道到2纳米厚的分子之外蛋白质壳，例如自由基，其能量水平允许它们接收电子。这些自由基可以从其他分子中夺取电子并导致细胞损伤，而通过提供电子来中和自由基是抗氧化剂的功能之一。
铁蛋白在细胞环境中与抗坏血酸(通常称为维生素C)等抗氧化剂相互作用，以稳定储存的铁，并且它也会因自由基的反应而过度表达。如果铁蛋白能够存储来自抗氧化剂的电子，使其能够通过电子隧道作用于自由基，那么它可以通过允许电子到达更远的自由基并存储电子直到需要它们来提高中和反应的效率。
如果铁蛋白的唯一功能是储存铁，那么在自由基、炎症和活性氧的来源不是过量铁的情况下，这就没有意义了，而过量的铁往往是这种情况。细胞利用铁的方式(称为铁稳态)的复杂性使得识别与铁蛋白相关的电子隧道变得困难。
铁蛋白中电子隧道的另一个拟议量子生物学功能是跨细胞距离的电子传输。在一种称为M2巨噬细胞的细胞类型中，铁蛋白可以形成某种程度规则的有序结构，巨噬细胞似乎利用该结构向巨噬细胞所帮助的细胞提供铁蛋白。例如，巨噬细胞与某些癌症相关的铁蛋白水平升高有关，并且似乎有助于癌细胞中和炎症。
抗氧化剂还可以通过提供电子中和自由基和ROS来帮助某些癌细胞生存，但在这些细胞中缺乏抗氧化剂的情况下，电子是否有可能穿过M2巨噬细胞中的铁蛋白结构进入其他细胞中的铁蛋白?该功能的证据也存在。
OlgaMykhaylyk博士对包括巨噬细胞的胎盘组织进行小角中子散射(SANS)测试，测量到中子散射增加，而从组织中提取的大量铁蛋白中则不存在这种情况。中子散射可以发生在含有具有对齐磁矩的纳米颗粒的固体中，并且这些测试表明，具有巨噬细胞的胎盘组织中的铁蛋白具有对齐的磁矩。
HeinzNakotte教授还对铁蛋白自组装单层(SAM)进行了SANS测试，证明了中子散射，而我与CaiShen教授进行的测试表明，与M2巨噬细胞中相似的自组装多层铁蛋白不仅能够在体外将电子传导到长达80微米的距离，而且还能够使用称为库仑封锁的物理机制来路由这些电子。
将电子引导至需要消除细胞中自由基、炎症和活性氧的铁蛋白是另一种提出的量子生物学功能，但由于无法直接观察到电子隧道效应，因此需要进一步研究来调查该假设。
结论和后续步骤
IEEETransactions上的这篇新论文提供了有关如何将这些电子隧道功能的构建模块用于包含铁蛋白的不同生物系统的更多详细信息，但这将取决于这些生物系统的不同研究领域的研究人员来设计测试和研究电子隧道效应是否发生。
许多生物学研究人员不了解电子隧道效应，并对量子生物学持怀疑态度，因此可能需要几十年的时间才能回答这些问题并用于开发癌症、失明、耳聋和其他疾病的治疗方法。希望本文将有助于提高人们的认识并促进对生物系统是否以及如何利用铁蛋白中已证实的电子隧道现象的进一步研究。
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