ドナルド・C・チャン

ドナルド・チョイ・チャン（繁体字：張東才、簡体字：張东才、1942年生まれ）は、香港科技大学（HKUST）の創立教授である。また、香港生物物理学会の初代会長でもある。^[1]現在、HKUSTの名誉教授および非常勤教授である。チャンの研究分野は幅広く、核磁気共鳴^{[2] 、 [3]、}生物物理学^{[4] [5]}、量子物理学[6]の分野で研究を行っている。^{[7] 2023}年にアメリカ物理学会のフェローに選出された。 ^[8]

チャンは1942年、現在の中国広東省深圳で生まれた。父親は米商人で、チャンの家族は土地改革運動から逃れるために香港に逃れた。香港の難民学校に通っている間に、チャンは科学に興味を持つようになった。彼は複数の奨学金を得て国立台湾大学に入学し、 1965年に物理学の学士号を取得し、その後、米国のライス大学で物理学の修士号と博士号を取得した。 ^[9]

チャン氏は、スピンエコー核磁気共鳴(NMR) 技術を用いた細胞内の水の物理的特性の研究における先駆者です。ドナルド・チャン氏はライス大学の物理学部に勤務していたとき、自家製のNMR 分光計を製作し、正常な細胞や組織、がん細胞、そして単に自由水サンプル内の水の緩和時間 (T1 と T2) を測定しました。

当時の主な共同研究者は、ベイラー医科大学の生理学者CF・ヘーズルウッドだった。この研究に関連する多くの論文はヘーズルウッドの共著である。チャンと彼のチームは、1971年に細胞水（この場合は心筋細胞）の緩和時間は自由水の緩和時間よりもはるかに短いという初めての報告を行った。^[10]また、彼らの実験は、細胞水の緩和時間のそのような短縮は、当時信じられていた拡散制限によるものではないことを示唆した。^[2]

1972年、彼らは同じ技術を使用して正常細胞と癌細胞の緩和時間をテストしました。彼らは、正常細胞から前癌細胞（前腫瘍性）そして最終的に腫瘍細胞に進化する乳房組織細胞では、水の緩和時間が徐々に増加することを発見しました。^{[3] [11]}この発見は、NMRを使用して前癌細胞と癌細胞を検出できることを意味しています。 1973年、ポール・ラウターバーはネイチャー誌（1973年） ^[12]に、磁場勾配を使用してサンプルの異なる場所にある水分子を区別できることを示唆する論文を発表しました。このアイデアは、 MRI（磁気共鳴画像）技術の開発のきっかけとなり、今日では癌/腫瘍の検出に広く使用されています。後に、ラウターバーはこの研究で2003年にノーベル賞を受賞しました。

1980年代初頭、研究者たちは、強い電気パルスを使って細胞膜を一時的に透過性にできることを発見しました。この「開放」の間に、DNA、RNA、一部のタンパク質を含む多くの高分子が細胞内に侵入することができます。しばらくすると、細胞膜は再び密閉されます。これを「エレクトロポレーション」と呼びます。^[13]

チャンは、遺伝子導入と細胞融合においてはるかに効率的な電気穿孔法を実現するために、パルス無線周波数電界を使用する技術を発明しました。^{[14] [15]}（「電気融合」は、電気穿孔法とほぼ同じ技術を使用しますが、違いは、電気融合では2つの細胞が融合されることです）。

1980年代には、膜の「孔」という概念はまだ理論の段階であり、視覚化されておらず、電気穿孔の物理的特性は十分に理解されていませんでした。たとえば、孔はどのように見えるのか？膜の孔の大きさはどれくらいか？「開く」時間枠はどれくらいか？チャンと彼の協力者であるTSリースは、「急速凍結破砕電子顕微鏡法」と呼ばれる技術を使用して、このプロセスのスナップショットを撮りました。彼は初めて、外部電場によって誘発される孔の構造を示しました。^{[16] [17]この研究は、以前に仮説されていた「電気孔」の存在を初めて構造的に証明するもので、1990年7月号の}Biophysical Journalの表紙記事で報告されました。

緑色蛍光タンパク質（GFP）と蛍光共鳴エネルギー移動（FRET）は、20世紀後半に発見され開発された2つの重要な光学プローブ/センサーです。GFPは、 1962年にウッズホール海洋生物学研究所で下村によって初めて単離されました。GPF遺伝子がクローン化された後、細胞内の分子を視覚化するための非常に便利なツールになりました。チャンはロジャー・ツィエンのチームと協力し、GFP遺伝子をカルモジュリン（CaM）遺伝子と融合し、このGFP標識CaM DNAを細胞に注入しました。この融合遺伝子が発現した後、CaM-GFPタンパク質の動的変化を記録できます。^[18]

過去 10 年間、チャンの研究の多くは物理学の基本的な問題に焦点を当てています。彼の研究の 1 つは、マクスウェル理論に基づいてプランク定数の物理的意味を調べたものです。 ^[19]プランク定数hは、最も重要な普遍定数の 1 つです。しかし、hの物理的性質は十分に理解されていません。プランクの関係は、もともと第一原理ではなく、現象論的考察に基づいて導き出されました。^[20]チャンの論文は、光子を電磁放射の波束としてモデル化することにより、エネルギーと運動量をマクスウェル理論に基づいて直接計算できることを示しました。光子の放出と透過が全か無かの原理に従うという仮定を使用して、彼は波束のエネルギーがその振動周波数に比例することを発見しました。この研究に続いて、プランク定数が明示的に導き出されます。これは、プランク定数が真空の物理的特性と密接に関連していることを示唆しています。 [ ^19]

チャンのもう一つの主要な研究は、粒子の質量を測定することによって宇宙に静止フレームが存在するかどうかを実験的に検証するという提案である。^[21]相対性理論の公理と、今日の宇宙論および粒子物理学で使用されている量子論との間には、未解決の矛盾がある。前者は宇宙に静止フレームがないと仮定しているが、後者は静止フレームが存在することを示唆している。有名なマイケルソン・モーリーの実験では、光の場合、すべての慣性フレームが同等であることがテストされた。つまり、光の伝播には静止フレームがないように見える。しかし、質量のある荷電粒子が同じ法則に従うかどうかはテストされたことがない。チャンの提案は、反対方向に移動する2つの電子の粒子の質量を正確に測定するというものである。2つの電子の質量に差が検出された場合、質量のある粒子のすべての慣性フレームが同じではないことを意味し、差が検出されない場合は、質量のある粒子のすべての慣性フレームも同じであることを意味する。^{[22] [23]}

近年、チャンは量子物理学の基礎研究に積極的に取り組んでいた。^{[24] [25] [26]}彼の研究は最近、Springer/Natureから「物質の波動性について：量子力学と相対性理論の調和への新たなアプローチ」と題するモノグラフとして出版された。

この本では、物質の起源と量子力学の物理的基礎を説明する新しい理論が紹介されています。この仮説は「量子波動モデル」と呼ばれ、物質は波でできているというものです。より具体的には、真空はマクスウェルの理論に従って誘電体であり、量子粒子は真空の量子化された励起波であると提案されています。^[27]クライン・ゴルドン方程式、ディラック方程式、シュレーディンガー方程式 などの既存の量子波動方程式は、真空励起のメカニズムに基づいて直接導出できることが示されています。このモデルは、波動粒子二重性現象を説明するための物理的基礎を提供するだけでなく、真空で粒子が生成される理由やエネルギーが物質に変換される理由も説明できます。^[27]

• 興奮性細胞の構造と機能. Chang, Donald C., Tasaki, Adelman, WJ, Jr., and Leuchtag, HR (Eds). ニューヨーク: Plenum Press. 1983. ISBN  0306413388. OCLC  9830807 .
• Chang DC (1989) パルス無線周波数電界による細胞融合と細胞穿孔。Neumann E.、Sowers AE、Jordan CA (編)細胞生物学における電気穿孔と電気融合。Springer、ボストン、マサチューセッツ州
• 電気穿孔法と電気融合法のガイド。Chang, Donald C.、Sowers, AE、Chassy, B.、Saunders, JA (編) 。サンディエゴ: Academic Press。1992年。ISBN 1299193528。OCLC  817706277 。 
• Chang DC (1997) 哺乳類細胞の効率的なトランスフェクションにおける実験戦略。Tuan RS (編)組換え遺伝子発現プロトコル。分子生物学の方法、第 62 巻。Humana Press、ISBN 978-1-59259-548-8 
• Chang DC (1998)「第 88 章: 電気穿孔法と電気融合」、Spector, DL、Goldman, RD、Leinwand, LA (編)『細胞: 実験マニュアル』、 Cold Spring Harbor Laboratory Press。ISBN 9780879695224、pp. 88.1-88.11。 
• チャン、ドナルド C. (2006-09-15)、「エレクトロポレーションとエレクトロフュージョン」、マイヤーズ、ロバート A. 編、分子細胞生物学および分子医学百科事典、ワイリー、ISBN 9783527600908 
• Chang DC、Zhou L.、Luo KQ (2005)「単一生細胞におけるアポトーシスのシグナル伝達メカニズムの研究における GFP および FRET 技術の使用」Shen X.、Van Wijk R. (編)『バイオフォトニクス - 21 世紀の光学科学と工学』 Springer、ボストン、マサチューセッツ州、ISBN 9780387249964 
• 物質の波動性について：量子力学と相対性理論を調和させる新たなアプローチ。ドナルド・C・チャン、シュプリンガー、2024年。ISBN 978-3-031-48776-7