Kvantebiologi kunne revolutionere vores forståelse af, hvordan livet fungerer

Kvantebiologi kunne revolutionere vores forståelse af, hvordan livet fungerer

Tidsstempel: 19. maj 2023 kl. 10

Forestil dig at bruge din mobiltelefon til at kontrollere dine egne cellers aktivitet til at behandle skader og sygdomme. Det lyder som noget fra fantasien hos en alt for optimistisk science fiction-forfatter. Men dette kan en dag være en mulighed gennem det nye felt af kvantebiologi.

I løbet af de sidste par årtier har videnskabsmænd gjort utrolige fremskridt med at forstå og manipulere biologiske systemer i stadigt mindre skalaer, fra proteinfoldning til genteknologi. Og alligevel er det næppe forstået, i hvilket omfang kvanteeffekter påvirker levende systemer.

Kvanteeffekter er fænomener, der opstår mellem atomer og molekyler, som ikke kan forklares med klassisk fysik. Det har været kendt i mere end et århundrede, at reglerne for klassisk mekanik, som Newtons bevægelseslove, nedbrydes på atomare skalaer. I stedet opfører små objekter sig i overensstemmelse med et andet sæt love kendt som kvantemekanik.

For mennesker, som kun kan opfatte den makroskopiske verden, eller hvad der er synligt med det blotte øje, kan kvantemekanikken virke kontraintuitiv og noget magisk. Ting, du måske ikke forventer, sker i kvanteverdenen, f.eks elektroner "tunneler" igennem små energibarrierer og optræder uskadt på den anden side, eller er to forskellige steder på samme tid i en fænomen kaldet superposition.

Jeg er uddannet som kvanteingeniør. Forskning i kvantemekanik er normalt rettet mod teknologi. Men, og noget overraskende, er der stigende beviser for, at naturen – en ingeniør med milliarder af års praksis – har lært at bruge kvantemekanik for at fungere optimalt. Hvis dette virkelig er sandt, betyder det, at vores forståelse af biologi er radikalt ufuldstændig. Det betyder også, at vi muligvis kunne kontrollere fysiologiske processer ved at bruge biologisk stofs kvanteegenskaber.

Kvantetilstand i biologi er sandsynligvis virkelig

Forskere kan manipulere kvantefænomener for at bygge bedre teknologi. Faktisk bor du allerede i en kvantedrevet verden: fra laserpointere til GPS, magnetisk resonansbilleddannelse og transistorerne i din computer – alle disse teknologier er afhængige af kvanteeffekter.

Generelt manifesterer kvanteeffekter sig kun ved meget små længde- og masseskalaer, eller når temperaturen nærmer sig det absolutte nulpunkt. Dette skyldes, at kvanteobjekter som atomer og molekyler miste deres "kvantelighed" når de ukontrolleret interagerer med hinanden og deres omgivelser. Med andre ord er en makroskopisk samling af kvanteobjekter bedre beskrevet af den klassiske mekaniks love. Alt, der starter kvante, dør klassisk. For eksempel kan en elektron manipuleres til at være to steder på samme tid, men den ender kun ét sted efter et kort stykke tid - præcis hvad man normalt ville forvente.

I et kompliceret, støjende biologisk system forventes det således, at de fleste kvanteeffekter hurtigt vil forsvinde, skyllet ud i det, fysikeren Erwin Schrödinger kaldte "varme, våde omgivelser i cellen." For de fleste fysikere indebærer det faktum, at den levende verden opererer ved forhøjede temperaturer og i komplekse miljøer, at biologi kan beskrives tilstrækkeligt og fuldt ud af klassisk fysik: ingen funky barriereoverskridelse, ingen at være på flere steder samtidigt.

Kemikere har dog i lang tid tryglet om at være anderledes. Det viser forskning i grundlæggende kemiske reaktioner ved stuetemperatur entydigt processer, der foregår i biomolekyler ligesom proteiner og genetisk materiale er resultatet af kvanteeffekter. Det er vigtigt, at sådanne nanoskopiske, kortvarige kvanteeffekter er i overensstemmelse med at drive nogle makroskopiske fysiologiske processer, som biologer har målt i levende celler og organismer. Forskning tyder på, at kvanteeffekter påvirker biologiske funktioner, herunder regulerer enzymaktivitet, føler magnetiske felter, celle metabolismeog elektrontransport i biomolekyler.

Hvordan man studerer kvantebiologi

Den fristende mulighed for, at subtile kvanteeffekter kan justere biologiske processer, udgør både en spændende grænse og en udfordring for videnskabsmænd. At studere kvantemekaniske effekter i biologi kræver værktøjer, der kan måle de korte tidsskalaer, små længdeskalaer og subtile forskelle i kvantetilstande, der giver anledning til fysiologiske ændringer - alt sammen integreret i et traditionelt vådt laboratoriemiljø.

I mit arbejde, bygger jeg instrumenter til at studere og kontrollere kvanteegenskaberne af små ting som elektroner. På samme måde som elektroner har masse og ladning, har de også en kvanteegenskab kaldet spin. Spin definerer hvordan elektronerne interagerer med et magnetfelt, på samme måde som ladning definerer hvordan elektroner interagerer med et elektrisk felt. Kvanteeksperimenterne har jeg bygget siden kandidatskolen, og nu i mit eget laboratorium, sigter mod at anvende skræddersyede magnetfelter til at ændre spins af bestemte elektroner.

Forskning har vist, at mange fysiologiske processer er påvirket af svage magnetfelter. Disse processer omfatter udvikling af stamceller , modning, celleproliferationshastigheder, reparation af genetisk materialeog utallige andre. Disse fysiologiske reaktioner på magnetfelter er i overensstemmelse med kemiske reaktioner, der afhænger af spin af bestemte elektroner i molekyler. Anvendelse af et svagt magnetfelt til at ændre elektronspin kan således effektivt kontrollere en kemisk reaktions slutprodukter med vigtige fysiologiske konsekvenser.

I øjeblikket forhindrer en manglende forståelse af, hvordan sådanne processer fungerer på nanoskalaniveau, forskere i at bestemme præcis, hvilken styrke og frekvens af magnetiske felter, der forårsager specifikke kemiske reaktioner i celler. Nuværende mobiltelefon-, bærbare- og miniaturiseringsteknologier er allerede tilstrækkelige til at producere skræddersyede, svage magnetfelter, der ændrer fysiologien, både på godt og ondt. Den manglende brik i puslespillet er derfor en "deterministisk kodebog" om, hvordan man kortlægger kvanteårsager til fysiologiske udfald.

I fremtiden kan finjustering af naturens kvanteegenskaber gøre det muligt for forskere at udvikle terapeutiske enheder, der er ikke-invasive, fjernstyrede og tilgængelige med en mobiltelefon. Elektromagnetiske behandlinger kan potentielt bruges til at forebygge og behandle sygdom, som f.eks hjernesvulster, samt i biofremstilling, som f.eks øget laboratoriedyrket kødproduktion.

En helt ny måde at lave videnskab på

Kvantebiologi er et af de mest tværfaglige felter, der nogensinde er dukket op. Hvordan bygger man fællesskab og uddanner forskere til at arbejde på dette område?

Siden pandemien har mit laboratorium på University of California, Los Angeles og University of Surrey's Quantum Biology Doctoral Training Center organiseret Store kvantebiologi møder at tilbyde et uformelt ugentligt forum, hvor forskere kan mødes og dele deres ekspertise inden for områder som almindelig kvantefysik, biofysik, medicin, kemi og biologi.

Forskning med potentielt transformative implikationer for biologi, medicin og de fysiske videnskaber vil kræve arbejde inden for en lige så transformativ samarbejdsmodel. At arbejde i ét samlet laboratorium ville gøre det muligt for forskere fra discipliner, der anvender meget forskellige tilgange til forskning, at udføre eksperimenter, der opfylder bredden af ​​kvantebiologi fra kvante til molekylært, cellulært og organisme.

Eksistensen af ​​kvantebiologi som en disciplin indebærer, at traditionel forståelse af livsprocesser er ufuldstændig. Yderligere forskning vil føre til ny indsigt i det ældgamle spørgsmål om, hvad liv er, hvordan det kan kontrolleres, og hvordan man lærer sammen med naturen at bygge bedre kvanteteknologier.The Conversation

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Billede Credit: ANIRUDH / Unsplash

Tidsstempel:

Mere fra Singularitet Hub