スマートフォンを使って自分の細胞の活動をコントロールし、ケガや病気の治療に役立てることが出来る様な技術を想像してみて欲しい。楽観的すぎるSF作家の想像に過ぎないような話だが、量子生物学という新しい分野では、このようなことが可能になるかも知れない。
過去数十年の間に、科学者たちは、タンパク質の折り畳みから遺伝子工学まで、ますます小さなスケールでの生物学的システムの理解と操作において、驚くべき進歩を遂げた。しかし、量子効果が生体システムにどのような影響を与えるかは、まだほとんど解明されていない。
量子効果とは、原子や分子の間で起こる現象で、古典物理学では説明できないものだ。ニュートンの運動法則のような古典力学の法則が、原子スケールでは破綻していることは100年以上前から知られていた。その代わりに、小さな物体は量子力学と呼ばれる別の法則にしたがって行動する。
肉眼で見える巨視的な世界しか認識できない人間にとって、量子力学は直感に反する、どこか不思議な世界だ。電子が小さなエネルギー障壁を「トンネル」を通るように無傷で反対側に現れたり、重ね合わせと呼ばれる現象で同時に2つの場所に存在したりと、量子の世界では思いもよらないことが起こる。
私は、量子工学の専門家として訓練を受けている。量子力学の研究は、通常、技術に向けたものだ。しかし、少し意外なことに、何十億年も練習を重ねてきたエンジニアである自然が、量子力学を使って最適に機能する方法を学んだという証拠が増えつつある。もしこれが本当なら、私たちの生物学に対する理解が根本的に不完全であることを意味する。また、生体物質の量子的性質を利用することで、生理学的プロセスを制御できる可能性があることを意味している。
生物学における量子論は、おそらく実在する
研究者は量子現象を操作することで、より優れた技術を構築することが出来る。レーザーポインターからGPS、磁気共鳴画像、コンピュータのトランジスタまで、これらの技術はすべて量子効果に依存している。
一般に、量子効果は、長さや質量のスケールが非常に小さいとき、あるいは温度が絶対零度に近づいたときにのみ現れる。これは、原子や分子のような量子力学的な物体が、互いや環境と無秩序に相互作用することで「量子性」が失われるためだ。つまり、量子的な物体の巨視的な集合体は、古典力学の法則で記述する方が良いのだ。量子的に始まったものは、すべて古典的に終わる。例えば、電子は同時に2つの場所に存在するように操作することが出来るが、しばらくすると1つの場所にしか存在しなくなる – まさに古典的に予想される通りだ。
複雑でノイズの多い生体系では、物理学者エルヴィン・シュレーディンガーが「細胞という温かく湿った環境」で洗い流され、ほとんどの量子効果は急速に消滅すると予想される。多くの物理学者にとって、生物界が高温で複雑な環境で動作しているという事実は、生物学が古典物理学で十分かつ完全に記述できることを意味する：奇妙な障壁の横断や複数の場所に同時に存在することはない。
しかし、化学者たちは、長い間、そうではないことを主張してきた。室温での基本的な化学反応の研究から、タンパク質や遺伝物質などの生体分子内で起こるプロセスが量子効果の結果であることが明白になった。重要なことは、このようなナノスケールの短寿命の量子効果は、生物学者が生きた細胞や生物で測定したいくつかの巨視的な生理学的プロセスを駆動することと一致していることである。量子効果は、酵素活性の調節、磁場の感知、細胞代謝、生体分子内の電子輸送など、生物学的機能に影響を与えることが研究で示唆されている。
量子生物学の研究方法
微妙な量子効果によって生物学的プロセスが変化する可能性は、科学者にとって刺激的なフロンティアであると同時に課題でもある。生物学における量子力学的効果を研究するには、生理学的変化をもたらす短い時間スケール、小さな長さスケール、量子状態の微妙な違いを、従来のウェットラボ環境で統合的に測定できるツールが必要だ。
私は、電子のような小さなものの量子特性を研究し、制御するための装置を作っている。電子には質量と電荷があるが、それと同じように、スピンという量子的性質がある。電子が電界と相互作用するのと同じように、スピンは電子が磁界と相互作用することを規定する。私は大学院時代から、そして現在は自分の研究室で、特定の電子のスピンを変化させるために調整された磁場をかける量子実験を構築している。
研究により、多くの生理学的プロセスが微弱な磁場の影響を受けることが実証されている。このようなプロセスには、幹細胞の発生と成熟、細胞増殖率、遺伝物質の修復など、数え切れないほどのものがある。磁場に対するこれらの生理的反応は、分子内の特定の電子のスピンに依存する化学反応と一致する。弱い磁場をかけて電子のスピンを変化させることで、化学反応の最終生成物を効果的に制御することができ、重要な生理学的結果をもたらすことができるのだ。
現在、このようなプロセスがナノスケールレベルでどのように機能するのかが理解されていないため、研究者は、どのような強さと周波数の磁場が細胞内の特定の化学反応を引き起こすのかを正確に判断することが出来ない。現在のスマートフォン、ウェアラブル端末、小型化技術は、良くも悪くも生理現象を変化させる、調整された弱い磁場を作り出すのに既に十分である。つまり、パズルに欠けているのは、量子的な原因を生理学的な結果にどのようにマッピングするかという「決定論的コードブック」なのである。
将来的には、自然界の量子特性を微調整することで、非侵襲的で遠隔操作可能な、スマートフォンでアクセス可能な治療装置を開発することが可能になるかも知れない。電磁波治療は、脳腫瘍などの病気の予防や治療、実験室で育てた肉の生産量を増やすなどのバイオマニュファクチャリングに利用される可能性がある。
全く新しい科学のあり方
量子生物学は、これまでで最も学際的な分野のひとつだ。この分野で活躍する科学者のコミュニティ形成や育成はどのように行うのだろうか？
パンデミック以来、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の私の研究室とサリー大学の量子生物学博士課程トレーニングセンターは、量子物理学、生物物理学、医学、化学、生物学などの分野の研究者が集まり、それぞれの専門知識を共有するための非公式な場を毎週提供する「ビッグ量子生物学ミーティング」を開催している。
生物学、医学、物理科学に変革をもたらす可能性のある研究を行うには、同様に変革的な協力モデルの中で作業することが必要だ。一つの統一された研究室で研究を行うことで、研究へのアプローチが全く異なる分野の科学者が、量子から分子、細胞、生物に至るまで、量子生物学の幅を広げる実験を行うことができる。
量子生物学という学問分野が存在するということは、生命現象に対する従来の理解が不完全であることを意味している。さらに研究を進めることで、生命とは何か、どのように制御できるのか、どのように自然とともに学び、より優れた量子技術を構築するのかという古くからの疑問に対する新たな洞察が生まれることだろう。
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