Fotosyntetiska organismer skördar ljus från solen för att producera den energi de behöver för att överleva. En ny artikel publicerad av University of Chicago-forskare avslöjar deras hemlighet:att utnyttja kvantmekaniken.

"Innan denna studie, det vetenskapliga samfundet såg kvantsignaturer genererade i biologiska system och ställde frågan, var dessa resultat bara en konsekvens av att biologi byggdes av molekyler, eller hade de ett syfte?" sa Greg Engel, Professor i kemi och senior författare på studien. "Det här är första gången vi ser biologi aktivt utnyttja kvanteffekter."

Forskarna studerade en typ av mikroorganism som kallas gröna svavelbakterier. Dessa bakterier behöver ljus för att överleva, men även små mängder syre kan skada deras känsliga fotosyntesutrustning. Så de måste utveckla sätt att minimera skadorna när bakterien stöter på syre.

För att studera denna process, forskare spårade rörelsen av energi genom ett fotosyntetiskt protein under olika förhållanden - med syre runt, och utan.

De fann att bakterien använder en kvantmekanisk effekt som kallas vibronisk blandning för att flytta energi mellan två olika vägar, beroende på om det finns syre i närheten eller inte. Vibronisk blandning involverar vibrations- och elektroniska egenskaper i molekyler som kopplar till varandra. I huvudsak, vibrationerna blandas så fullständigt med de elektroniska tillstånden att deras identiteter blir oskiljaktiga. Den här bakterien använder detta fenomen för att styra energi dit den behöver den.

Om det inte finns något syre i närheten och bakterien är säker, bakterien använder vibronisk blandning genom att matcha energiskillnaden mellan två elektroniska tillstånd i en sammansättning av molekyler och proteiner som kallas FMO-komplexet, med energin från vibrationen från en bakterioklorofyllmolekyl. Detta uppmuntrar energin att flöda genom den "normala" vägen mot det fotosyntetiska reaktionscentret, som är packad med klorofyll.

Men om det finns syre runt, organismen har utvecklats för att styra energin genom en mindre direkt väg där den kan släckas. (Att släcka energi liknar att lägga en handflata på en vibrerande gitarrsträng för att avleda energi.) På detta sätt, bakterien förlorar en del energi men sparar hela systemet.

För att uppnå denna effekt, ett par cysteinrester i det fotosyntetiska komplexet fungerar som en utlösare:de reagerar var och en med syret i miljön genom att förlora en proton, vilket stör den vibroniska blandningen. Detta innebär att energi nu företrädesvis rör sig genom den alternativa vägen, där den säkert kan släckas. Den här principen är lite som att blockera två körfält på en motorväg och leda en del trafik till lokala vägar där det finns många fler avfarter.

"Det som är intressant med det här resultatet är att vi ser proteinet slå på och av den vibroniska kopplingen som svar på miljöförändringar i cellen, sa Jake Higgins, en doktorand vid Institutionen för kemi och huvudförfattaren till uppsatsen. "Proteinet använder kvanteffekten för att skydda organismen från oxidativ skada."

Dessa fynd ger en spännande ny uppenbarelse om biologi; att använda en explicit kvantmekanism för att skydda systemet visar en viktig anpassning och att kvanteffekter kan vara viktiga för överlevnad.

Detta fenomen är sannolikt inte begränsat till gröna svavelbakterier, sa forskarna. Som Higgins förklarade, "Mekanismens enkelhet tyder på att den kan hittas i andra fotosyntetiska organismer i det evolutionära landskapet. Om fler organismer kan dynamiskt modulera kvantmekaniska kopplingar i sina molekyler för att producera större förändringar i fysiologi, det kan finnas en helt ny uppsättning effekter valda av naturen som vi ännu inte känner till."