Published December 20, 2016 | Version v1
Publication Open

The Quantum Biology of Reactive Oxygen Species Partitioning Impacts Cellular Bioenergetics

Creators

  • 1. Montana State University
  • 2. Florida Institute of Technology
  • 3. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas
  • 4. University of Belgrano
  • 5. University of California, Irvine

Description

Abstract Quantum biology is the study of quantum effects on biochemical mechanisms and biological function. We show that the biological production of reactive oxygen species (ROS) in live cells can be influenced by coherent electron spin dynamics, providing a new example of quantum biology in cellular regulation. ROS partitioning appears to be mediated during the activation of molecular oxygen (O 2 ) by reduced flavoenzymes, forming spin-correlated radical pairs (RPs). We find that oscillating magnetic fields at Zeeman resonance alter relative yields of cellular superoxide (O 2 •− ) and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) ROS products, indicating coherent singlet-triplet mixing at the point of ROS formation. Furthermore, the orientation-dependence of magnetic stimulation, which leads to specific changes in ROS levels, increases either mitochondrial respiration and glycolysis rates. Our results reveal quantum effects in live cell cultures that bridge atomic and cellular levels by connecting ROS partitioning to cellular bioenergetics.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

علم الأحياء الكمومي هو دراسة التأثيرات الكمومية على الآليات الكيميائية الحيوية والوظيفة البيولوجية. نظهر أن الإنتاج البيولوجي لأنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) في الخلايا الحية يمكن أن يتأثر بديناميكيات الدوران الإلكتروني المتماسكة، مما يوفر مثالًا جديدًا لبيولوجيا الكم في التنظيم الخلوي. يبدو أن تقسيم ROS يتوسط أثناء تنشيط الأكسجين الجزيئي (O 2 ) عن طريق إنزيمات الفلافونيز المخفضة، مما يشكل أزواجًا جذرية مرتبطة بالدوران (RPs). نجد أن الحقول المغناطيسية المتذبذبة في رنين زيمان تغير الغلة النسبية للأكسيد الفائق الخلوي (O 2 •− ) وبيروكسيد الهيدروجين (H 2 O 2 ) منتجات ROS، مما يشير إلى خلط متماسك أحادي وثلاثي عند نقطة تكوين ROS. علاوة على ذلك، فإن اعتماد التحفيز المغناطيسي على الاتجاه، والذي يؤدي إلى تغييرات محددة في مستويات ROS، يزيد إما من تنفس الميتوكوندريا ومعدلات تحلل السكر. تكشف نتائجنا عن تأثيرات كمية في مزارع الخلايا الحية التي تربط المستويات الذرية والخلوية من خلال ربط تقسيم ROS بالطاقة الحيوية الخلوية.

Translated Description (French)

Résumé La biologie quantique est l'étude des effets quantiques sur les mécanismes biochimiques et la fonction biologique. Nous montrons que la production biologique d'espèces réactives de l'oxygène (ROS) dans les cellules vivantes peut être influencée par la dynamique cohérente du spin électronique, fournissant un nouvel exemple de biologie quantique dans la régulation cellulaire. Le partitionnement des ROS semble être médié lors de l'activation de l'oxygène moléculaire (O 2 ) par des flavoenzymes réduites, formant des paires de radicaux (RP) corrélés par spin. Nous trouvons que les champs magnétiques oscillants à la résonance de Zeeman modifient les rendements relatifs des produits ROS de superoxyde cellulaire (O 2 •− ) et de peroxyde d'hydrogène (H 2 O 2 ), indiquant un mélange cohérent singulet-triplet au point de formation des ROS. De plus, la dépendance à l'orientation de la stimulation magnétique, qui entraîne des changements spécifiques des taux de ROS, augmente soit la respiration mitochondriale, soit les taux de glycolyse. Nos résultats révèlent des effets quantiques dans les cultures de cellules vivantes qui relient les niveaux atomiques et cellulaires en connectant le partitionnement ROS à la bioénergétique cellulaire.

Translated Description (Spanish)

Resumen La biología cuántica es el estudio de los efectos cuánticos sobre los mecanismos bioquímicos y la función biológica. Mostramos que la producción biológica de especies reactivas de oxígeno (ROS) en células vivas puede verse influenciada por la dinámica coherente del espín electrónico, proporcionando un nuevo ejemplo de biología cuántica en la regulación celular. El reparto de ROS parece estar mediado durante la activación del oxígeno molecular (O 2 ) por flavoenzimas reducidas, formando pares radicales (RP) correlacionados con el espín. Encontramos que los campos magnéticos oscilantes en la resonancia de Zeeman alteran los rendimientos relativos de los productos ROS de superóxido celular (O 2 •- ) y peróxido de hidrógeno (H 2 O 2 ), lo que indica una mezcla coherente de singlete-triplete en el punto de formación de ROS. Además, la dependencia de la orientación de la estimulación magnética, que conduce a cambios específicos en los niveles de ROS, aumenta la respiración mitocondrial y las tasas de glucólisis. Nuestros resultados revelan efectos cuánticos en cultivos de células vivas que unen los niveles atómicos y celulares al conectar la partición de ROS con la bioenergética celular.

Files

srep38543.pdf.pdf

Files (1.6 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:b5221ffa4d222fc4d5ba33a5f05fdefd
1.6 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تؤثر البيولوجيا الكمومية لتقسيم أنواع الأكسجين التفاعلي على الطاقة الحيوية الخلوية
Translated title (French)
La biologie quantique des espèces réactives de l'oxygène Le partitionnement a un impact sur la bioénergétique cellulaire
Translated title (Spanish)
La biología cuántica de la partición de especies reactivas de oxígeno impacta la bioenergética celular

Identifiers

Other
https://openalex.org/W2565566049
DOI
10.1038/srep38543

Is supplement to
https://openalex.org/W3162308544 (Other)
https://openalex.org/W3084180692 (Other)
https://openalex.org/W2543149367 (Other)
https://openalex.org/W2266483152 (Other)
https://openalex.org/W2148125305 (Other)
https://openalex.org/W2123532637 (Other)
https://openalex.org/W2115231900 (Other)
https://openalex.org/W2101418475 (Other)
https://openalex.org/W2094546582 (Other)
https://openalex.org/W1973466664 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Argentina

References

  • https://openalex.org/W1518086527
  • https://openalex.org/W1751530372
  • https://openalex.org/W1973009377
  • https://openalex.org/W1975090760
  • https://openalex.org/W1979606229
  • https://openalex.org/W1982389762
  • https://openalex.org/W1983019829
  • https://openalex.org/W1990216398
  • https://openalex.org/W1999373473
  • https://openalex.org/W2001502425
  • https://openalex.org/W2003382100
  • https://openalex.org/W2019663885
  • https://openalex.org/W2019855091
  • https://openalex.org/W2031536699
  • https://openalex.org/W2032102101
  • https://openalex.org/W2044049772
  • https://openalex.org/W2057683250
  • https://openalex.org/W2058468006
  • https://openalex.org/W2069480047
  • https://openalex.org/W2072742323
  • https://openalex.org/W2092811282
  • https://openalex.org/W2097259163
  • https://openalex.org/W2097879837
  • https://openalex.org/W2107179162
  • https://openalex.org/W2138668594
  • https://openalex.org/W2139444512
  • https://openalex.org/W2139737396
  • https://openalex.org/W2144713323
  • https://openalex.org/W2150419930
  • https://openalex.org/W2154525209
  • https://openalex.org/W2285566362
  • https://openalex.org/W2319072648
  • https://openalex.org/W2951818697
  • https://openalex.org/W3104335281
  • https://openalex.org/W3144938829
  • https://openalex.org/W4211050272
  • https://openalex.org/W565843157