The Nomura Institute of Glycosciece Blog

先日のDNAの突然変異メカニズムの量子力学的モデリングの論文の著者　Jim Al-Khaliliさんの新しい動画です。Oxford philosophy of physics seminarsというオックスフォード大学のセミナーシリーズでの講演です。この方は、テレビなどで科学解説番組にいろいろ出演されているようです。YouTubeで名前で検索するとBBCほかいろんな番組の動画がみられます。

Life on the Edgeはこの前紹介した彼の有名な本の原著のタイトルです。このオックスフォード大学提供のセミナーシリーズ
https://www.youtube.com/c/OxfordPhilosophyofPhysics/videosは面白そうです。ざっとタイトルを見てみたのですが、みてみたい動画が色々ありました。
https://youtu.be/OmaSAG4J6nw

上の動画のタイトルは、Title: Why We Shouldn’t Believe in Hilbert Spaces Anymore, and the Case for Platonic Quantum Theory というものです。ハーバード大学の先生の講演です。動画の最初のほうは生物をやっている私などにもわかりやすい導入でした。ヒルベルト空間を使った量子力学の定式化はだめだというお話です。提唱したフォンノイマンも1935年に自分ではヒルベルト空間による定式化を絶対的には信じていないといっているという話もありました。かわりになるのは、Gelfand–Naimark–Segal construction　（GNS構成法）というC*代数というものを用いる理論だそうです。ハーバード大学のこちらの動画シリーズは物理の人には面白いかもしれません。https://www.youtube.com/channel/UCPRe-yID_EaQwvCZM7hU9Hw/videos
この先生の以下の動画は、物理と哲学の話でより一般向けでわかりやすいかもしれません。同じ画像ですがこちらのほうがより最近の講演です。

THE ROYAL INSTITUTIONの講演動画の紹介です。
Physics experiments that changed the world – with Suzie Sheehyという動画です。
20世紀のはじめ、21世紀はこんなのになるのではというカードがでていたそうです。

https://commons.wikimedia.org/wiki/Category:France_in_XXI_Century_(fiction)
上のリンクのような未来予測のカードがフランスででていたそうですが、この時代には、物理学にもう画期的進歩はなかろうという意見も結構有力視されていたそうです。しかし20世紀への変わり目から、次々と新しい実験的発見がありました。この講演は
1900年あたりのレントゲンによるX線の発見の紹介からはじまります。ラザフォードの実験と彼のグループにいた忘れ去られた優秀な女性研究者Harriet Brooksの話、テスラの1200万ボルトの高電圧発生装置が物理学の発展に及ぼした決定的役割、原子爆弾の開発と、核分裂を発見したLise Meitnerのマンハッタン計画への参加拒絶の話　(彼女はこういって参加を断ったそうです。I will have nothing to do with a bomb!）、広島・長崎への原爆投下で物理学者が物理学の社会とのかかわりに目覚めた話、ウイルソンの霧箱や粒子加速装置の開発からハドロンコライダーまでの話など興味深い話が、デモ実験と併せて展開されています。Sheehyさんは最近The matter of everything twelve experiments that changed our worldという本を書かれたそうで、この講演はその本の内容紹介にもなっています。https://www.amazon.co.jp/Matter-Everything-Twelve-Experiments-Changed/dp/1526618966
https://youtu.be/aXg3edeUrtc

昨日はお盆で京都の大文字の日でしたね。BSテレビで生中継を見ていました。雷雨で開始がおくれましたが見事な五山の送り火、久々の全山点灯ということでとても綺麗でした。京都に住んでいたころは、よくみんなで送り火を見に行ったのを思い出しました。さて今日は量子生物学の話題です。

DNAの突然変異の過程に量子現象が関与しているのではないかという議論はずいぶん昔からありました。最近、Nature系列の雑誌Communications Physicsに面白い論文がでていました。オープンアクセスですので誰でも自由に読むことができますのでご覧ください。
An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA というタイトルで
Jim Al-Khaliliのグループ（Department of Physics, University of Surrey, Guildford, GU2 7XH, UK）からの論文です。 この人は昨今の量子生物学ブームに火をつけた方です。このブログでも以前の記事でとりあげています。「量子力学で生命の謎を解く」（SB Creative社発行）という本はベストセラーになりました。

Slocombe, L., Sacchi, M. & Al-Khalili, J.
An open quantum systems approach to proton tunnelling in DNA. Commun Phys 5, 109 (2022). https://doi.org/10.1038/s42005-022-00881-8
論文はこちらからダウンロードできます。
https://www.nature.com/articles/s42005-022-00881-8#Abs1

DNAの塩基G（グアニン）とC（シトシン）は水素結合でDNAの二重らせんの中で結合しています。一方の鎖のGはもう一方の鎖のCと三本の水素結合で結合するというわけです。（塩基のアデニンAは塩基のチミンTと二本の水素結合で結合します）。この論文ではこれら核酸塩基の間に働いている水素結合を担う水素原子(プロトン）が量子トンネル効果で移動して核酸塩基が互変異性体（tautomer）へ変化する現象を量子力学でモデル化して研究しています。例えばG–C ↔ G*–C* → G*–T（註：アスタリスクはGやCの互変異性体を示します）となって、本来Cであるべきところがプロトン移動による互変異性体の形成の結果、Tに変わってしまうという突然変異がおきるわけです。論文ではこうした突然変異が起こる確率を計算しています。プロトンの量子トンネル効果によって互変異性体ができて平衡に達する時間や確率を量子力学と統計力学を用いて計算しています。絶対温度300ケルビン（だいたい摂氏27度の室温です）での計算結果は、互変異性体による突然変異のおきる確率が従来の古典モデルで予想した値の10000倍になることを示しているそうです。今まで量子現象は突然変異にはほとんど寄与指定いないと考えられていたのですが、どうやら突然変異には量子効果が極めえ重大な役割をはたしているようです。今回の論文のように、量子力学を常温での生命現象に応用する試みがこれからどんどん増えていくと思われます。面白い時代になってきました。

以前のブログの記事はこちらです。
https://glycostationx.org/2018/10/02/%e7%a7%8b%e3%81%ae%e3%81%8a%e3%81%99%e3%81%99%e3%82%81%e6%9c%ac%e3%81%9d%e3%81%ae%ef%bc%91%e2%80%95%e9%87%8f%e5%ad%90%e7%94%9f%e7%89%a9%e5%ad%a6%ef%bc%88%ef%bc%91%ef%bc%89/

お盆なので不思議な話の続きです。ずいぶん前に亡くなった父の体験談です。父が小さかったころ　夜　鉱山から帰る途中　山道を歩いていました。あたりは夜で真っ暗。家路を急いでいると前にある山の斜面の上のほうから、灯（あかり）がゆっくり降りてきたのが見えたそうです。一瞬、提灯を持った人がいるのかなと思ったのですが、山の斜面を提灯をもって人が下りるはずもなく、浮かんでいるその灯はリズミカルに上下しながら、ゆっくり斜面をおりてくるので、ちょっと怖くなって眺めていたそうです。大きさは、ちょうど今でいうサッカーボールほどで、空中に浮かびながら斜面をおりてきて、父に近づいてきて、目の前までくると、パッと消えてしまったそうです。色は提灯の灯のような色だったとのことです。結構長時間観察できたそうで、あれは本当に不思議な体験だった、あれが何だったのかは未だにわからないけれどなどと、時々思い出しては話していました。

私は球電ではないのかなと父に話していました。（球電Ball Lightningについては以下のリンクにある英語版Wikipediaが詳しいです）
https://en.wikipedia.org/wiki/Ball_lightning
中谷宇吉郎さんが書かれた岩波新書の「雷」という本には球電のことが詳しく書いてあってそれを読んでいたのでそう思ったのでした。別に雷が鳴っていたわけではなかったそうですが、球電であったとしても　そうでなかったとしても、とても珍しい現象にでくわしたのは間違いありません。中谷宇吉郎の本は「雪」とか「雷」とかいう本が個人送信資料で読めます。「雷」については今私の持っている本とくらべると、個人送信資料に収録されている本が戦前のものなので、写真図版がついていないようで残念です。青空文庫では「雪」は読めますが、「雷」は作業中とのことです。

下の写真は昨日収穫した我が家のブドウと赤唐辛子です。どちらも無農薬で育てましたが、今年はカメムシやコガネムシの食害がほとんどなくて、先月の収穫分とあわせて写真の倍以上の量のブドウ (デラウエア）が収穫できました。

Mathematicaは便利なソフトウエアです。以前紹介したMathematicaのYouTubeチャネルhttps://www.youtube.com/c/wolframjapanに新しい動画が入っていますので紹介します。これなどはMathematicaの入門後に、ソフトを使いこなすのには必須の動画ではないでしょうか。
https://youtu.be/b2i96d0rJJA

&, /@, @@, #って? (Function, Apply, Mapの概要)というタイトルの動画です。MathematicaのWolfram 言語で書かれたコードによくでてくる記号を解説してくださっています。演者の丸山先生はWolframの方ですが、微分方程式の入門セミナーを去年されました。丸山先生については去年の記事をご覧ください。
https://glycostationx.org/2021/09/27/mathematica%e3%81%ae%e7%b4%b9%e4%bb%8b%e3%81%a7%e3%81%99%ef%bc%81/

同様の微分方程式の丸山先生によるセミナーが以下から登録できますので登録されるとよいでしょう。「微分方程式を解こう！—教科書の課題から流体計算まで2022」というタイトルです。
https://www.bigmarker.com/series/solving-difference-equation-JP-2022/series_details

生化学で糖やアミノ酸などを扱う時、enantiomerというのがよくでてきます。
enantiomer : 鏡像異性体, 鏡像体, 対掌体, エナンチオマー という訳がLife Science Dictionaryのサイトにでています。こんな例があります。
(R)-1-bromo-1-chloroethane と
(S)-1-bromo-1-chloroethaneと書かれている化合物の違いはなんでしょうか。

これらの化合物は、正四面体の中心に位置する炭素原子Cに、臭素原子Br・塩素原子Cl・メチル基CH3・水素Hが結合している分子です。鏡像異性体が二つあってそれぞれR型、S型と呼ばれます。このRとSを使った立体構造の記述法では、(R) はラテン語のrectus;  right, correct or　properという意味の単語、(S) はラテン語のsinister; left or improperという意味の単語に由来しています。どのようにRとSを決めるかについては、以下のサイトのゲームが面白いです。
https://rschemistry.com/
カリフォルニア大学ロサンゼルス分校UCLAのGarg Labの作ったフリーのゲームです。https://garg.chem.ucla.edu/のeducationの部分をクリックすると他のゲームもありますので遊んでみるといいでしょう。説明をじっくり読んでから(英語が苦手な人は日本語の適当な説明を読んでから（たとえばこちらhttps://www.t.soka.ac.jp/chem/yuki/text/OC1ch7.pdf）やってみると絶対配置を記述するRS表示が使いこなせるようになると思います。

YouTubeのRoyal Institutionのチャンネルに、Nick Laneの新しい動画がアップロードされました。https://youtu.be/vBiIDwBOqQA
“How the Krebs cycle powers life and death – with Nick Lane”
What process animates cells and gives life to lifeless matter? What brings our own lives to an end? The Krebs cycle is the answer – and it could turn our picture of life on Earth upside down. Watch the Q&A here: https://youtu.be/UqsqJM8g604

Nick Laneはとても優秀な生命科学の解説者だと思います。彼の本や動画にはいつも感銘をうけます。今回は彼が5月に行った講演の動画です（NIHでの生命の起源の動画はこの記事の末尾をご覧ください）。新しい本を出版したそうで、新しい本を書いた著者はちょくちょく、このRoyal Institutionの講演を依頼されるようです。Nick’s book ‘Transformer: The Deep Chemistry of Life and Death’ is out now: https://geni.us/X1cOOL8
今回の動画はKrebsサイクルを中心に生命とは何かを考えるという内容です。Krebsサイクルが生命の中心に存在して、生きているという状態を特徴づける代謝経路であるとともに死とも関係していることをわかりやすく、また斬新な観点から解説しています。癌のワールブルック効果の話や生命の起源の話もありますので是非ご覧さい。眼細胞は解糖系を活性化させているというWarburg効果は一度は批判にさらされましたが、今では様々な実験から確認されて、広く受け入れられている事実です。癌とKrebsサイクル、どんな関係があるかは動画で確認してみてください。Royal Institutionのチャンネル登録はこちらです。Subscribe for regular science videos: http://bit.ly/RiSubscRibe

Krebsサイクルについては今年3月の固定ページの記事でも紹介しました。以下に再録しておきます。