Французькі фізики повідомили про перше експериментальне виявлення далекодіючих сил тяжіння між біологічними молекулами в сольовому розчині, які можуть керувати їх поведінкою навіть на відстані ста нанометрів. Як об'єкт дослідження вони використовували білок R-фікоеритрин, а як методи - флуоресцентну кореляційну спектроскопію і терагерцеву спектроскопію. Дослідження опубліковано в.
З точки зору фізики жива матерія видається складним круговоротом різноманітних взаємодій між біомолекулами (переважно білками і нуклеїновими кислотами), яка, тим не менш, досить ефективна в реалізації біологічних функцій. Підраховано, що в людській клітці може відбуватися близько 130000 різних бінарних взаємодій між білками, з яких в достатній мірі вивчено лише 34000.
Ці сили, як правило, мають електростатичну природу, найчастіше вандерваальсову. Незважаючи на те, в теорії такі сили можуть бути далекодіючими (наприклад, залежати від відстані за законом зворотного куба), в реальності їх взаємодія слабшає на масштабі нанометрів через дебаєвського екранування, викликаного наявністю у внутрішньоклітинній рідині вільних легких іонів. Таким чином, поточне розуміння того, як та чи інша молекула потрапляє в потрібне місце клітини в потрібний час, спирається в основному на механізм її випадкового переміщення в результаті дифузії.
Але нещодавно стали з'являтися сумніви в повноті такої картини. Так, фізики зрозуміли, що в умовах великої кількості перешкод, яка має місце в клітинах, дифузія значно сповільнюється. Крім того, стали з'являтися експериментальні свідчення її аномального характеру, а також невідповідність між спостережуваними швидкостями реакцій в клітинах і передбаченнями строго випадкових моделей. У цю картину органічно вписується уявлення про далекодіючі діполь-дипільні сили, які стійкі до загасання завдяки своєму резонансному характеру, проте вчені ніколи не спостерігали їх.
Про те, що такі сили все ж існують, повідомила група французьких фізиків під керівництвом Марко Петтіні (Marco Pettini) з Університету Тулона. Вони виявили, що збудження молекул білка світлом у нерівноважний колективний коливальний стан може змінювати силу взаємодії між ними. Ця зміна виражається як у терагерцевому відгуку збуджених молекул, так і в їх просторовій кластеризації.
Взаємодія електрично нейтральних молекул залежить від того, наскільки сильно рознесені в просторі центри їх позитивного і негативного заряду. Іншими словами, наскільки великий їх дипольний момент. Найбільш сильне тяжіння виникає між молекулами, що володіють постійним дипольним моментом, чого не можна сказати про великі біологічні молекули на зразок білків. Тим не менш, якщо збудити в такій молекулі колективні коливання, то зміщення зарядової щільності буде створювати дипольний момент, який буде тим відчутнішим, чим сильніше амплітуда цих коливань. Це означає, що якщо підтримувати такі коливання деякий час, це призведе до появи сил діполь-дипольного тяжіння, які вбивають за законом зворотного куба, і можуть призвести до кластеризації молекул.
Щоб перевірити цей механізм, автори провели два типи експериментів з R-фікоеритрином, який відомий своєю високою чутливістю до червоного світла. Опромінення цього білка лазером з довжиною хвилі 488 нанометрів збуджує в ньому колективні коливання з частотами 71 і 96 гігагерц. Фізики досліджували тяжіння, що утворюється, поміщаючи молекули в розчин хлориду натрію з концентрацією 200 мілімоль на літр, що забезпечує хороше екранування електростатичних сил.
У першому типі експериментів автори використовували флуоресцентну кореляційну спектроскопію, щоб виявити кластеризацію молекул під дією наведеного тяжіння. Цей метод полягає у вимірюванні залежності світла, що приходить від молекул, від часу, за яким визначається їх коефіцієнт дифузії. Дифузія частинок, у свою чергу, залежить від їх розміру. Це означає, що якщо частинки злиплися, то вони менш інтенсивно беруть участь у броунівському русі.
Фізики вимірювали коефіцієнт дифузії при різних концентраціях молекул і різних інтенсивностях лазера. Вони виявили, що починаючи з деякого порогу за обома параметрами, цей коефіцієнт різко зменшується на кілька порядків. Численні симуляції опинилися в хорошій згоді з результатами вимірювань і підтвердили, що досить інтенсивне світло індукує дипольний момент, якого вистачає, щоб молекули почали об'єднуватися в кластери.
Інший експеримент полягав у вимірюванні частотного відгуку коливань. Справа в тому, що частота колективного коливання молекули чутлива до умов, в яких вона виявляється. Якщо молекула відчуває додаткове тяжіння, це дещо деформує її структуру, що виражається в частотному зрушенні. Це зрушення тим сильніше, чим більша сила, яка залежить від відстані між молекулами. У разі, коли кластеризація ще не відбувається, зсув повинен залежати від середньої відстані між молекулами за законом зворотного куба, і, отже, лінійно від їх концентрації. Саме таку залежність побачили фізики.
Автори підкреслюють універсальний характер цих сил. Він підтверджується додатковими експериментами, які вони провели з бичачим сироватковим альбуміном. Разом з тим, поки залишається неясним питання, що стає джерелом енергії для білків всередині клітини. В якості кандидатів на цю роль вчені розглядають молекули АТФ, іонні струми або світло, вироблене мітохондріями.
Сили Ван-дер-Ваальса виникають не тільки між молекулами, але навіть між інертними атомами, хоча в цьому випадку вони набагато слабші. Це не завадило фізикам виміряти їх за допомогою атомно-силового мікроскопа.