Biologi Kuantum Dapat Merevolusi Pemahaman Kita tentang Cara Kerja Kehidupan

Bayangkan menggunakan ponsel Anda untuk mengontrol aktivitas sel Anda sendiri untuk mengobati cedera dan penyakit. Kedengarannya seperti sesuatu dari imajinasi seorang penulis fiksi ilmiah yang terlalu optimis. Tapi ini mungkin suatu hari menjadi kemungkinan melalui bidang biologi kuantum yang muncul.

Selama beberapa dekade terakhir, para ilmuwan telah membuat kemajuan luar biasa dalam memahami dan memanipulasi sistem biologis pada skala yang semakin kecil pelipatan protein untuk rekayasa genetik. Namun, sejauh mana efek kuantum memengaruhi sistem kehidupan masih sulit dipahami.

Efek kuantum adalah fenomena yang terjadi antara atom dan molekul yang tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Telah diketahui selama lebih dari seabad bahwa aturan mekanika klasik, seperti hukum gerak Newton, terurai pada skala atom. Sebaliknya, benda-benda kecil berperilaku sesuai dengan seperangkat hukum berbeda yang dikenal sebagai mekanika kuantum.

Bagi manusia, yang hanya bisa melihat dunia makroskopis, atau apa yang terlihat dengan mata telanjang, mekanika kuantum bisa tampak berlawanan dengan intuisi dan agak ajaib. Hal-hal yang mungkin tidak Anda harapkan terjadi di dunia kuantum, seperti elektron "tunneling" melalui penghalang energi kecil dan muncul di sisi lain tanpa cedera, atau berada di dua tempat berbeda pada waktu yang sama di a fenomena yang disebut superposisi.

Saya dilatih sebagai insinyur kuantum. Penelitian dalam mekanika kuantum biasanya diarahkan pada teknologi. Namun, dan yang agak mengejutkan, ada semakin banyak bukti bahwa alam—seorang insinyur dengan praktik selama miliaran tahun—telah mempelajari caranya menggunakan mekanika kuantum untuk berfungsi secara optimal. Jika ini memang benar, berarti pemahaman kita tentang biologi secara radikal tidak lengkap. Ini juga berarti bahwa kita mungkin dapat mengontrol proses fisiologis dengan menggunakan sifat kuantum materi biologis.

Quantumness dalam Biologi Mungkin Nyata

Peneliti dapat memanipulasi fenomena kuantum untuk membangun teknologi yang lebih baik. Bahkan, Anda sudah tinggal di a dunia bertenaga kuantum: dari penunjuk laser hingga GPS, pencitraan resonansi magnetik, dan transistor di komputer Anda—semua teknologi ini bergantung pada efek kuantum.

Secara umum, efek kuantum hanya bermanifestasi pada skala panjang dan massa yang sangat kecil, atau ketika suhu mendekati nol mutlak. Ini karena objek kuantum seperti atom dan molekul kehilangan "kuantitas" mereka ketika mereka tak terkendali berinteraksi satu sama lain dan lingkungan mereka. Dengan kata lain, kumpulan objek kuantum makroskopis lebih baik dijelaskan oleh hukum mekanika klasik. Segala sesuatu yang dimulai dengan kuantum mati secara klasik. Sebagai contoh, sebuah elektron dapat dimanipulasi untuk berada di dua tempat pada waktu yang sama, tetapi ia akan berakhir hanya di satu tempat setelah beberapa saat—persis seperti yang diharapkan secara klasik.

Dalam sistem biologis yang rumit dan bising, diharapkan sebagian besar efek kuantum akan menghilang dengan cepat, tersapu dalam apa yang oleh fisikawan Erwin Schrödinger disebut sebagai “lingkungan sel yang hangat dan basah.” Bagi sebagian besar fisikawan, fakta bahwa dunia makhluk hidup beroperasi pada suhu tinggi dan di lingkungan yang kompleks menyiratkan bahwa biologi dapat dijelaskan secara memadai dan lengkap oleh fisika klasik: tidak ada penyeberangan penghalang yang funky, tidak ada keberadaan di banyak lokasi secara bersamaan.

Akan tetapi, para ahli kimia telah lama memohon untuk berbeda pendapat. Penelitian tentang reaksi kimia dasar pada suhu kamar jelas menunjukkan hal itu proses yang terjadi dalam biomolekul seperti protein dan materi genetik adalah hasil dari efek kuantum. Yang penting, efek kuantum nanoscopic dan berumur pendek seperti itu konsisten dengan mendorong beberapa proses fisiologis makroskopik yang telah diukur oleh ahli biologi dalam sel dan organisme hidup. Penelitian menunjukkan bahwa efek kuantum memengaruhi fungsi biologis, termasuk mengatur aktivitas enzim, penginderaan medan magnet, metabolisme sel, dan transpor elektron dalam biomolekul.

Cara Mempelajari Biologi Kuantum

Kemungkinan yang menggiurkan bahwa efek kuantum halus dapat men-tweak proses biologis menghadirkan perbatasan yang menarik sekaligus tantangan bagi para ilmuwan. Mempelajari efek mekanika kuantum dalam biologi memerlukan alat yang dapat mengukur skala waktu pendek, skala panjang kecil, dan perbedaan halus dalam keadaan kuantum yang menimbulkan perubahan fisiologis—semuanya terintegrasi dalam lingkungan lab basah tradisional.

Dalam pekerjaan saya, saya membuat instrumen untuk mempelajari dan mengontrol sifat kuantum benda kecil seperti elektron. Dengan cara yang sama elektron memiliki massa dan muatan, mereka juga memiliki a properti kuantum yang disebut spin. Spin menentukan bagaimana elektron berinteraksi dengan medan magnet, dengan cara yang sama muatan menentukan bagaimana elektron berinteraksi dengan medan listrik. Eksperimen kuantum yang telah saya buat sejak lulus sekolah, dan sekarang di lab saya sendiri, bertujuan untuk menerapkan medan magnet yang disesuaikan untuk mengubah putaran elektron tertentu.

Penelitian telah menunjukkan bahwa banyak proses fisiologis dipengaruhi oleh medan magnet yang lemah. Proses tersebut antara lain perkembangan sel punca dan pematangan, tingkat proliferasi sel, perbaikan materi genetik, dan banyak lainnya. Respons fisiologis terhadap medan magnet ini konsisten dengan reaksi kimia yang bergantung pada putaran elektron tertentu dalam molekul. Menerapkan medan magnet yang lemah untuk mengubah putaran elektron dapat secara efektif mengontrol produk akhir reaksi kimia, dengan konsekuensi fisiologis yang penting.

Saat ini, kurangnya pemahaman tentang bagaimana proses tersebut bekerja pada tingkat skala nano mencegah peneliti untuk menentukan dengan tepat kekuatan dan frekuensi medan magnet apa yang menyebabkan reaksi kimia tertentu dalam sel. Ponsel saat ini, perangkat yang dapat dikenakan, dan teknologi miniaturisasi sudah cukup untuk diproduksi disesuaikan, medan magnet lemah yang mengubah fisiologi, baik untuk kebaikan maupun keburukan. Oleh karena itu, potongan teka-teki yang hilang adalah "buku kode deterministik" tentang cara memetakan penyebab kuantum ke hasil fisiologis.

Di masa depan, penyempurnaan sifat-sifat kuantum alam memungkinkan para peneliti untuk mengembangkan perangkat terapeutik yang non-invasif, dikendalikan dari jarak jauh, dan dapat diakses dengan ponsel. Perawatan elektromagnetik berpotensi digunakan untuk mencegah dan mengobati penyakit, seperti tumor otak, serta dalam biomanufaktur, seperti meningkatkan produksi daging hasil laboratorium.

Cara Baru Melakukan Sains

Biologi kuantum adalah salah satu bidang paling interdisipliner yang pernah muncul. Bagaimana Anda membangun komunitas dan melatih para ilmuwan untuk bekerja di bidang ini?

Sejak pandemi, lab saya di Universitas California, Los Angeles dan Pusat Pelatihan Doktor Biologi Kuantum Universitas Surrey telah menyelenggarakan Pertemuan Big Quantum Biology untuk menyediakan forum mingguan informal bagi para peneliti untuk bertemu dan berbagi keahlian mereka di bidang-bidang seperti fisika kuantum arus utama, biofisika, kedokteran, kimia, dan biologi.

Penelitian dengan implikasi yang berpotensi transformatif untuk biologi, kedokteran, dan ilmu fisika akan memerlukan kerja sama dalam model kolaborasi yang sama transformatifnya. Bekerja di satu lab terpadu akan memungkinkan para ilmuwan dari disiplin ilmu yang mengambil pendekatan penelitian yang sangat berbeda untuk melakukan eksperimen yang memenuhi luasnya biologi kuantum dari kuantum hingga molekuler, seluler, dan organisme.

Keberadaan biologi kuantum sebagai suatu disiplin menyiratkan bahwa pemahaman tradisional tentang proses kehidupan tidak lengkap. Penelitian lebih lanjut akan mengarah pada wawasan baru tentang pertanyaan kuno tentang apa itu kehidupan, bagaimana kehidupan dapat dikendalikan, dan bagaimana belajar dengan alam untuk membangun teknologi kuantum yang lebih baik.

Artikel ini diterbitkan kembali dari Percakapan di bawah lisensi Creative Commons. Membaca Artikel asli.

Gambar Kredit: ANIRUD / Unsplash

• Konten Bertenaga SEO & Distribusi PR. Dapatkan Amplifikasi Hari Ini.
• PlatoAiStream. Kecerdasan Data Web3. Pengetahuan Diperkuat. Akses Di Sini.
• Mencetak Masa Depan bersama Adryenn Ashley. Akses Di Sini.
• Beli dan Jual Saham di Perusahaan PRE-IPO dengan PREIPO®. Akses Di Sini.
• Sumber: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/