Kwantumbiologie kan een revolutie teweegbrengen in ons begrip van hoe het leven werkt

Kwantumbiologie kan een revolutie teweegbrengen in ons begrip van hoe het leven werkt

Tijdstempel: 19 mei 2023 10:00 uur

Stel je voor dat je je mobiele telefoon gebruikt om de activiteit van je eigen cellen te regelen om verwondingen en ziekten te behandelen. Het klinkt als iets uit de verbeelding van een al te optimistische sciencefictionschrijver. Maar dit kan op een dag een mogelijkheid zijn door het opkomende veld van de kwantumbiologie.

In de afgelopen decennia hebben wetenschappers ongelooflijke vooruitgang geboekt in het begrijpen en manipuleren van biologische systemen op steeds kleinere schaal eiwit vouwen naar gentechnologie. En toch blijft de mate waarin kwantumeffecten levende systemen beïnvloeden nog nauwelijks begrepen.

Kwantumeffecten zijn fenomenen die optreden tussen atomen en moleculen die niet kunnen worden verklaard door de klassieke natuurkunde. Het is al meer dan een eeuw bekend dat de regels van de klassieke mechanica, zoals de bewegingswetten van Newton, uiteenvallen op atomaire schaal. In plaats daarvan gedragen kleine objecten zich volgens een andere reeks wetten die bekend staan ​​als kwantummechanica.

Voor mensen, die alleen de macroscopische wereld kunnen waarnemen, of wat zichtbaar is voor het blote oog, kan kwantummechanica contra-intuïtief en enigszins magisch lijken. Dingen die je misschien niet verwacht gebeuren in de kwantumwereld, zoals elektronen "tunnelen" door kleine energiebarrières en ongedeerd aan de andere kant verschijnen, of op twee verschillende plaatsen tegelijk zijn in een fenomeen dat superpositie wordt genoemd.

Ik ben opgeleid als een kwantum ingenieur. Onderzoek in de kwantummechanica is meestal gericht op technologie. Er is echter, en enigszins verrassend, steeds meer bewijs dat de natuur - een ingenieur met miljarden jaren ervaring - heeft geleerd hoe kwantummechanica gebruiken om optimaal te functioneren. Als dit inderdaad waar is, betekent dit dat ons begrip van de biologie radicaal onvolledig is. Het betekent ook dat we mogelijk fysiologische processen kunnen beheersen door gebruik te maken van de kwantumeigenschappen van biologische materie.

Quantumness in de biologie is waarschijnlijk echt

Onderzoekers kunnen kwantumfenomenen manipuleren om betere technologie te bouwen. Sterker nog, je woont al in een door kwantum aangedreven wereld: van laserpointers tot gps, magnetische resonantiebeeldvorming en de transistors in uw computer - al deze technologieën zijn afhankelijk van kwantumeffecten.

Over het algemeen manifesteren kwantumeffecten zich alleen op zeer kleine lengte- en massaschalen, of wanneer de temperatuur het absolute nulpunt nadert. Dit komt omdat kwantumobjecten zoals atomen en moleculen hun "kwantum" verliezen wanneer ze ongecontroleerd met elkaar en hun omgeving omgaan. Met andere woorden, een macroscopische verzameling kwantumobjecten wordt beter beschreven door de wetten van de klassieke mechanica. Alles wat kwantum begint, sterft klassiek. Een elektron kan bijvoorbeeld worden gemanipuleerd om op twee plaatsen tegelijk te zijn, maar het zal na korte tijd slechts op één plaats terechtkomen - precies wat klassiek zou worden verwacht.

In een gecompliceerd biologisch systeem met veel ruis wordt dus verwacht dat de meeste kwantumeffecten snel zullen verdwijnen, weggevaagd in wat de natuurkundige Erwin Schrödinger de "warme, natte omgeving van de cel.” Voor de meeste natuurkundigen impliceert het feit dat de levende wereld werkt bij hoge temperaturen en in complexe omgevingen dat de biologie adequaat en volledig kan worden beschreven door de klassieke natuurkunde: geen funky barrièreovergang, niet op meerdere locaties tegelijk zijn.

Chemici hebben echter lange tijd gesmeekt om van mening te verschillen. Onderzoek naar chemische basisreacties bij kamertemperatuur toont dat ondubbelzinnig aan processen die plaatsvinden in biomoleculen zoals eiwitten en genetisch materiaal het resultaat zijn van kwantumeffecten. Belangrijk is dat dergelijke nanoscopische, kortstondige kwantumeffecten consistent zijn met het aansturen van sommige macroscopische fysiologische processen die biologen hebben gemeten in levende cellen en organismen. Onderzoek suggereert dat kwantumeffecten biologische functies beïnvloeden, waaronder regulerende enzymactiviteit, magnetische velden detecteren, cel metabolisme en elektronentransport in biomoleculen.

Hoe kwantumbiologie te bestuderen

De verleidelijke mogelijkheid dat subtiele kwantumeffecten biologische processen kunnen aanpassen, vormt zowel een opwindende grens als een uitdaging voor wetenschappers. Het bestuderen van kwantummechanische effecten in de biologie vereist hulpmiddelen die de korte tijdschalen, kleine lengteschalen en subtiele verschillen in kwantumtoestanden kunnen meten die aanleiding geven tot fysiologische veranderingen - allemaal geïntegreerd in een traditionele natte laboratoriumomgeving.

In mijn werk, bouw ik instrumenten om de kwantumeigenschappen van kleine dingen zoals elektronen te bestuderen en te beheersen. Net zoals elektronen massa en lading hebben, hebben ze ook a kwantumeigenschap genaamd spin. Spin definieert hoe de elektronen interageren met een magnetisch veld, net zoals lading bepaalt hoe elektronen interageren met een elektrisch veld. De kwantumexperimenten die ik aan het bouwen ben sinds de graduaatsschool, en nu in mijn eigen lab, proberen op maat gemaakte magnetische velden toe te passen om de spins van bepaalde elektronen te veranderen.

Onderzoek heeft aangetoond dat veel fysiologische processen worden beïnvloed door zwakke magnetische velden. Deze processen omvatten stamcel ontwikkeling en rijping, snelheid van celproliferatie, herstel van genetisch materiaal en talloze anderen. Deze fysiologische reacties op magnetische velden komen overeen met chemische reacties die afhankelijk zijn van de spin van bepaalde elektronen in moleculen. Door een zwak magnetisch veld aan te leggen om elektronenspins te veranderen, kunnen de eindproducten van een chemische reactie effectief worden gecontroleerd, met belangrijke fysiologische gevolgen.

Momenteel verhindert een gebrek aan begrip van hoe dergelijke processen op nanoschaal werken onderzoekers om precies te bepalen welke sterkte en frequentie van magnetische velden specifieke chemische reacties in cellen veroorzaken. De huidige technologieën voor mobiele telefoons, draagbare apparaten en miniaturisatie zijn al voldoende om te produceren op maat gemaakte, zwakke magnetische velden die de fysiologie veranderen, zowel ten goede als ten kwade. Het ontbrekende stukje van de puzzel is daarom een ​​"deterministisch codeboek" over hoe kwantumoorzaken kunnen worden toegewezen aan fysiologische uitkomsten.

In de toekomst zou het verfijnen van de kwantumeigenschappen van de natuur onderzoekers in staat kunnen stellen therapeutische apparaten te ontwikkelen die niet-invasief zijn, op afstand worden bediend en toegankelijk zijn met een mobiele telefoon. Elektromagnetische behandelingen kunnen mogelijk worden gebruikt om ziekten te voorkomen en te behandelen, zoals hersentumors, evenals in biomanufacturing, zoals toenemende vleesproductie in het laboratorium.

Een geheel nieuwe manier van wetenschap bedrijven

Kwantumbiologie is een van de meest interdisciplinaire gebieden die ooit zijn ontstaan. Hoe bouw je een gemeenschap op en train je wetenschappers om op dit gebied te werken?

Sinds de pandemie hebben mijn laboratorium aan de University of California, Los Angeles en het Quantum Biology Doctoral Training Center van de University of Surrey Grote Quantum Biology-bijeenkomsten een informeel wekelijks forum bieden voor onderzoekers om elkaar te ontmoeten en hun expertise te delen op gebieden als reguliere kwantumfysica, biofysica, geneeskunde, scheikunde en biologie.

Onderzoek met potentieel transformerende implicaties voor biologie, geneeskunde en natuurwetenschappen vereist werken binnen een al even transformerend samenwerkingsmodel. Door in één verenigd laboratorium te werken, zouden wetenschappers uit disciplines die zeer verschillende onderzoeksbenaderingen hanteren, experimenten kunnen uitvoeren die voldoen aan de breedte van de kwantumbiologie, van kwantum tot moleculair, cellulair en organisme.

Het bestaan ​​van kwantumbiologie als discipline impliceert dat het traditionele begrip van levensprocessen onvolledig is. Verder onderzoek zal leiden tot nieuwe inzichten in de eeuwenoude vraag wat leven is, hoe het kan worden gecontroleerd en hoe te leren met de natuur om betere kwantumtechnologieën te bouwen.The Conversation

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Krediet van het beeld: ANIRUDH / Unsplash

Tijdstempel:

Meer van Hub voor singulariteit