Effekterna av kvantmekaniken – fysikens lagar som gäller i ytterst små skalor – är extremt känsliga för störningar. Det är därför kvantdatorer måste hållas vid temperaturer som är kallare än yttre rymden, och endast mycket, mycket små föremål, såsom atomer och molekyler, uppvisar i allmänhet kvantegenskaper.
Enligt kvantstandarder är biologiska system ganska fientliga miljöer:de är varma och kaotiska, och till och med deras grundläggande komponenter – som celler – anses vara mycket stora.
Men en grupp teoretiska och experimentella forskare har upptäckt en distinkt kvanteffekt inom biologin som överlever dessa svåra tillstånd och som också kan utgöra ett sätt för hjärnan att skydda sig mot degenerativa sjukdomar som Alzheimers.
Resultatet, publicerat i The Journal of Physical Chemistry B är inte bara en viktig upptäckt för neurovetenskap, utan föreslår också nya tillämpningar av tekniker för kvantberäkningsforskare, och representerar ett nytt sätt att tänka om förhållandet mellan liv och kvantmekanik.
"Jag tror att vårt arbete är ett kvantsprång för kvantbiologi, som tar oss bortom fotosyntesen och in i andra områden av utforskning:att undersöka implikationer för kvantinformationsbehandling och upptäcka nya terapeutiska tillvägagångssätt för komplexa sjukdomar", säger Philip Kurian, Ph.D. , huvudutredare och grundare av Quantum Biology Laboratory vid Howard University i Washington, DC.
Stjärnan i studien är tryptofan:en molekyl som är mest förknippad med kalkonmiddagar men som också finns i många biologiska sammanhang. Som en aminosyra är den en grundläggande byggsten för proteiner och större strukturer gjorda av dessa proteiner, såsom flimmerhår, flageller och centrioler.
En ensam molekyl av tryptofan uppvisar en ganska standard kvantegenskap:den kan absorbera en partikel av ljus (kallad foton) vid en viss frekvens och avge en annan foton med en annan frekvens. Denna process kallas fluorescens och används mycket ofta i studier för att undersöka proteinsvar.
Men studien fann att något konstigt händer när många, många tryptofanmolekyler är ordnade i ett symmetriskt nätverk, som om de är i större strukturer som centrioler - de fluorescerar starkare och snabbare än de skulle göra om de fluorescerade oberoende. Det kollektiva beteendet kallas "superradiance", och det händer bara med enstaka fotoner på grund av kvantmekaniken.
Detta resultat visar en grundläggande kvanteffekt på en plats där kvanteffekter normalt inte förväntas kunna överleva:ett större föremål i en varm, "bullrig" miljö.
"Denna publikation är frukten av ett decenniums arbete med att tänka på dessa nätverk som nyckeldrivkrafter för viktiga kvanteffekter på cellnivå", sa Kurian.
"Det är ett vackert resultat", säger professor Majed Chergui från Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) i Lausanne, Schweiz, som ledde experimentgruppen. "Det krävdes mycket exakt och noggrann tillämpning av standardmetoder för proteinspektroskopi, men vägledd av våra medarbetares teoretiska förutsägelser kunde vi bekräfta en fantastisk signatur av superstrålning i ett biologiskt system i mikronskala."
Dessa stora tryptofannätverk finns i neuroner, cellerna som utgör däggdjursnervsystemet. Närvaron av kvantöverstrålning i de fiberliknande buntarna av neuron har två stora potentiella implikationer:skydd mot degenerativa sjukdomar och överföring av kvantsignaler i hjärnan.
Degenerativa hjärnsjukdomar som Alzheimers har förknippats med höga grader av oxidativ stress – när kroppen bär på ett stort antal fria radikaler, som kan avge skadliga UV-ljuspartiklar med hög energi.
Tryptofan kan absorbera detta ultravioletta ljus och återutsända det med en lägre, säkrare energi. Och, som denna studie fann, kan mycket stora tryptofannätverk göra detta ännu mer effektivt och robust på grund av deras kraftfulla kvanteffekter.
"Detta fotoskydd kan visa sig vara avgörande för att lindra eller stoppa utvecklingen av degenerativ sjukdom," sa Kurian. "Vi hoppas att detta kommer att inspirera till en rad nya experiment för att förstå hur kvantförstärkt fotoskydd spelar en roll i komplexa patologier som frodas under mycket oxidativa tillstånd."
Den andra implikationen för superstrålning i hjärnan har att göra med hur neuroner överför signaler. Standardmodellen för neuronal signalering innebär att joner rör sig över membran från ena änden av neuronen till den andra, i en kemisk process som tar några millisekunder för varje signal. Men neurovetenskapsforskare har först nyligen blivit medvetna om att detta inte kan vara hela historien.
Superstrålning i hjärnan sker på under en pikosekund - en miljarddels millisekund. Dessa tryptofannätverk skulle kunna fungera som kvantfiberoptik som gör att hjärnan kan bearbeta information hundratals miljoner gånger snabbare än kemiska processer enbart skulle tillåta.
"Kuriangruppen och medarbetare har berikat vår förståelse av informationsflöden inom biologi på kvantnivå", säger Michael Levin, chef för Tufts Center for Regenerative and Developmental Biology, som inte var associerad med arbetet.
"Sådana kvantoptiska nätverk är utbredda, inte bara i neurala system utan över hela livets nät. De anmärkningsvärda egenskaperna hos denna signalerings- och informationsbehandlingsmodalitet kan vara oerhört relevant för evolutionär, fysikalisk och beräkningsbiologi."
Den teoretiska sidan av detta arbete har uppmärksammat forskare inom kvantteknologi, eftersom överlevnaden av bräckliga kvanteffekter i en "stökig" miljö är av stort intresse för dem som vill göra kvantinformationstekniken mer motståndskraftig. Kurian säger att han har haft samtal med flera kvantteknikforskare som blev förvånade över att hitta ett sådant samband inom de biologiska vetenskaperna.
"Dessa nya resultat kommer att vara av intresse för den stora gruppen av forskare inom öppna kvantsystem och kvantberäkningar, eftersom de teoretiska metoderna som används i denna studie är flitigt använda inom dessa områden för att förstå komplexa kvantnätverk i bullriga miljöer", säger professor Nicolò Defenu från Federal Institute of Technology (ETH) Zürich i Schweiz, en kvantforskare som inte var associerad med arbetet.
"Det är verkligen spännande att se en viktig koppling mellan kvantberäkning och levande system."
Arbetet uppmärksammades också av kvantfysikern Marlan Scully, en laserpionjär inom området kvantoptik och en av de ledande experterna på superstrålning.
"Single-photon superradiance lovar att ge nya verktyg för att lagra kvantinformation, och detta arbete visar upp dess effekter i ett helt nytt och annorlunda sammanhang," sa Scully. "Vi kommer säkerligen att noggrant undersöka konsekvenserna för kvanteffekter i levande system under många år framöver."
Mer information: N.S. Babcock et al, Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures, The Journal of Physical Chemistry B (2024). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c07936
Journalinformation: Journal of Physical Chemistry B
Tillhandahålls av Howard University
