Kvanttibiologia voi mullistaa käsityksemme elämän toiminnasta

Julkaissut Platon

seuraajia: 0

Kuvittele käyttäväsi matkapuhelintasi omien solujesi toiminnan ohjaamiseen vammojen ja sairauksien hoitamiseksi. Se kuulostaa joltain liian optimistisen tieteiskirjailijan mielikuvituksesta. Mutta tämä voi jonakin päivänä olla mahdollisuus kvanttibiologian nousevan kentän kautta.

Muutaman viime vuosikymmenen aikana tiedemiehet ovat saavuttaneet uskomatonta edistystä biologisten järjestelmien ymmärtämisessä ja manipuloinnissa yhä pienemmässä mittakaavassa. proteiinin laskostuminen että geenitekniikka. Ja silti, missä määrin kvanttivaikutukset vaikuttavat eläviin järjestelmiin, on tuskin ymmärretty.

Kvanttiefektit ovat atomien ja molekyylien välillä tapahtuvia ilmiöitä, joita klassinen fysiikka ei voi selittää. Yli vuosisadan ajan on tiedetty, että klassisen mekaniikan säännöt, kuten Newtonin liikelait, hajoaa atomimittakaavassa. Sen sijaan pienet esineet käyttäytyvät erilaisten lakien mukaan, jotka tunnetaan nimellä kvanttimekaniikka.

Ihmisille, jotka voivat havaita vain makroskooppisen maailman tai sen, mikä näkyy paljaalla silmällä, kvanttimekaniikka voi tuntua ristiriitaiselta ja jokseenkin taianomaiselta. Kvanttimaailmassa tapahtuu asioita, joita et ehkä odota elektronit "tunnelivat" läpi pienet energiaesteet ja ilmestyvät toiselle puolelle vahingoittumattomana tai ovat kahdessa eri paikassa samanaikaisesti ilmiö, jota kutsutaan superpositioksi.

Olen koulutettu a kvantti-insinööri. Kvanttimekaniikan tutkimus on yleensä suunnattu teknologiaan. Kuitenkin, ja hieman yllättävää, on yhä enemmän todisteita siitä, että luonto – miljardeja vuosia työskennellyt insinööri – on oppinut käyttää kvanttimekaniikkaa toimiakseen optimaalisesti. Jos tämä todella on totta, se tarkoittaa, että ymmärryksemme biologiasta on radikaalisti epätäydellinen. Se tarkoittaa myös sitä, että voisimme mahdollisesti hallita fysiologisia prosesseja käyttämällä biologisen aineen kvanttiominaisuuksia.

Kvantiteetti biologiassa on luultavasti todellista

Tutkijat voivat manipuloida kvanttiilmiöitä rakentaakseen parempaa teknologiaa. Itse asiassa asut jo a kvanttivoimainen maailma: laserosoittimista GPS:ään, magneettikuvaukseen ja tietokoneesi transistoreihin – kaikki nämä tekniikat perustuvat kvanttiefekteihin.

Yleensä kvanttivaikutukset ilmenevät vain hyvin pienissä pituus- ja massaasteikoissa tai kun lämpötilat lähestyvät absoluuttista nollaa. Tämä johtuu siitä, että kvanttiobjektit, kuten atomit ja molekyylit menettävät "kvantiteettinsa" kun he ovat hallitsemattomasti vuorovaikutuksessa toistensa ja ympäristönsä kanssa. Toisin sanoen makroskooppista kvanttiobjektien kokoelmaa kuvaavat paremmin klassisen mekaniikan lait. Kaikki mikä alkaa kvantista, kuolee klassisena. Esimerkiksi elektronia voidaan manipuloida olemaan kahdessa paikassa samaan aikaan, mutta se päätyy vain yhteen paikkaan hetken kuluttua - juuri niin kuin klassisesti odotetaan.

Monimutkaisessa, meluisassa biologisessa järjestelmässä on siis odotettavissa, että useimmat kvanttivaikutukset katoavat nopeasti, ja ne huuhtoutuvat pois siitä, mitä fyysikko Erwin Schrödinger kutsui "solun lämmin, märkä ympäristö.” Useimmille fyysikoille tosiasia, että elävä maailma toimii korkeissa lämpötiloissa ja monimutkaisissa ympäristöissä, merkitsee sitä, että biologia voidaan kuvata riittävästi ja täydellisesti klassisella fysiikalla: ei omituista esteen ylitystä, ei ole useissa paikoissa samanaikaisesti.

Kemistit ovat kuitenkin jo pitkään pyytäneet eri mieltä. Tutkimus kemiallisista perusreaktioista huoneenlämpötilassa osoittaa sen yksiselitteisesti biomolekyyleissä tapahtuvia prosesseja kuten proteiinit ja geneettinen materiaali ovat seurausta kvanttivaikutuksista. Tärkeää on, että tällaiset nanoskooppiset, lyhytikäiset kvanttivaikutukset ovat johdonmukaisia joidenkin makroskooppisten fysiologisten prosessien ohjaamisen kanssa, joita biologit ovat mitanneet elävistä soluista ja organismeista. Tutkimukset viittaavat siihen, että kvanttivaikutukset vaikuttavat biologisiin toimintoihin, mukaan lukien säätelee entsyymitoimintaa, magneettikenttien aistiminen, solujen metaboliaaja elektronien kuljetus biomolekyyleissä.

Kuinka opiskella kvanttibiologiaa

Jännittävä mahdollisuus, että hienovaraiset kvanttivaikutukset voivat säätää biologisia prosesseja, on sekä jännittävä raja että haaste tutkijoille. Kvanttimekaanisten vaikutusten tutkiminen biologiassa vaatii työkaluja, joilla voidaan mitata lyhyitä aika-asteikkoja, pieniä pituuksia ja hienovaraisia eroja kvanttitiloissa, jotka aiheuttavat fysiologisia muutoksia - kaikki integroituna perinteiseen märkälaboratorioympäristöön.

TyössäniRakennan instrumentteja pienten asioiden, kuten elektronien, kvanttiominaisuuksien tutkimiseen ja ohjaamiseen. Samalla tavalla kuin elektroneilla on massa ja varaus, niillä on myös a kvanttiominaisuus, jota kutsutaan spiniksi. Spin määrittää, kuinka elektronit ovat vuorovaikutuksessa magneettikentän kanssa, samalla tavalla kuin varaus määrittää elektronien vuorovaikutuksen sähkökentän kanssa. Kvanttikokeet, joita olen rakentanut tutkijakoulusta lähtien, ja nyt omassa laboratoriossani pyrin soveltamaan räätälöityjä magneettikenttiä tiettyjen elektronien spinien muuttamiseksi.

Tutkimukset ovat osoittaneet, että heikot magneettikentät vaikuttavat moniin fysiologisiin prosesseihin. Näitä prosesseja ovat mm kantasolujen kehitys ja kypsyminen, solujen lisääntymisnopeudet, geneettisen materiaalin korjausja lukemattomia muita. Nämä fysiologiset vasteet magneettikentille ovat yhdenmukaisia kemiallisten reaktioiden kanssa, jotka riippuvat tiettyjen molekyylien elektronien spinistä. Heikon magneettikentän käyttäminen elektronien spinien muuttamiseksi voi siten tehokkaasti hallita kemiallisen reaktion lopputuotteita, millä on tärkeitä fysiologisia seurauksia.

Tällä hetkellä tietoisuuden puute tällaisten prosessien toiminnasta nanomittakaavan tasolla estää tutkijoita määrittämästä tarkasti, mikä magneettikenttien voimakkuus ja taajuus aiheuttavat tiettyjä kemiallisia reaktioita soluissa. Nykyiset matkapuhelin-, puettavat ja miniatyrisointitekniikat ovat jo riittävät tuottamaan räätälöityjä, heikkoja magneettikenttiä, jotka muuttavat fysiologiaa, sekä hyvässä että pahassa. Palapelin puuttuva pala on siten "deterministinen koodikirja" siitä, kuinka kvanttisyyt voidaan kartoittaa fysiologisiin tuloksiin.

Tulevaisuudessa luonnon kvanttiominaisuuksien hienosäätö voisi antaa tutkijoille mahdollisuuden kehittää terapeuttisia laitteita, jotka ovat ei-invasiivisia, kauko-ohjattavia ja joihin pääsee matkapuhelimella. Sähkömagneettisia hoitoja voitaisiin mahdollisesti käyttää sairauksien ehkäisyyn ja hoitoon, kuten aivokasvaimet, sekä biovalmistuksessa, kuten laboratoriossa kasvatetun lihan tuotannon lisääminen.

Täysin uusi tapa tehdä tiedettä

Kvanttibiologia on yksi monitieteisimmistä aloista. Miten rakennat yhteisöä ja koulutat tutkijoita työskentelemään tällä alalla?

Pandemian jälkeen laboratorioni Kalifornian yliopistossa Los Angelesissa ja Surreyn yliopiston kvanttibiologian tohtorikoulutuskeskus ovat järjestäneet Suuret kvanttibiologian kokoukset tarjota epävirallinen viikoittainen foorumi tutkijoille tapaamaan ja jakamaan asiantuntemustaan sellaisilla aloilla kuin valtavirran kvanttifysiikka, biofysiikka, lääketiede, kemia ja biologia.

Tutkimus, jolla on mahdollisesti muutoksia biologiaan, lääketieteeseen ja fysikaalisiin tieteisiin, edellyttää työskentelyä yhtä transformatiivisessa yhteistyömallissa. Työskentely yhdessä yhtenäistetyssä laboratoriossa antaisi hyvin erilaisia lähestymistapoja tutkimukseen käyttävien tieteenalojen tutkijoille mahdollisuuden suorittaa kokeita, jotka täyttävät kvanttibiologian laajuuden kvantista molekyyliin, soluun ja organismiin.

Kvanttibiologian olemassaolo tieteenalana viittaa siihen, että perinteinen ymmärrys elämän prosesseista on puutteellista. Jatkotutkimukset johtavat uusiin näkemyksiin ikivanhasta kysymyksestä siitä, mitä elämä on, kuinka sitä voidaan hallita ja kuinka oppia luonnon kanssa rakentamaan parempia kvanttitekniikoita.

Tämä artikkeli julkaistaan uudelleen Conversation Creative Commons -lisenssin alla. Lue alkuperäinen artikkeli.

Kuva pistetilanne: ANIRUDH / Unsplash