Kvantebiologi kan revolusjonere vår forståelse av hvordan livet fungerer

Tenk deg å bruke mobiltelefonen din til å kontrollere aktiviteten til dine egne celler for å behandle skader og sykdommer. Det høres ut som noe fra fantasien til en altfor optimistisk science fiction-forfatter. Men dette kan en dag være en mulighet gjennom det nye feltet av kvantebiologi.

I løpet av de siste tiårene har forskere gjort utrolige fremskritt i å forstå og manipulere biologiske systemer i stadig mindre skalaer, fra proteinfolding til genteknologi. Og likevel er det knapt forstått i hvilken grad kvanteeffekter påvirker levende systemer.

Kvanteeffekter er fenomener som oppstår mellom atomer og molekyler som ikke kan forklares med klassisk fysikk. Det har vært kjent i mer enn et århundre at reglene for klassisk mekanikk, som Newtons bevegelseslover, brytes ned på atomskala. I stedet oppfører små gjenstander seg i henhold til et annet sett med lover kjent som kvantemekanikk.

For mennesker, som bare kan oppfatte den makroskopiske verden, eller det som er synlig for det blotte øye, kan kvantemekanikk virke kontraintuitiv og noe magisk. Ting du kanskje ikke forventer skjer i kvanteverdenen, som elektroner "tunnelerer" gjennom små energibarrierer og vises på den andre siden uskadd, eller være på to forskjellige steder samtidig i en fenomen kalt superposisjon.

Jeg er utdannet som en kvanteingeniør. Forskning innen kvantemekanikk er vanligvis rettet mot teknologi. Imidlertid, og noe overraskende, er det økende bevis på at naturen – en ingeniør med milliarder av års praksis – har lært seg hvordan bruke kvantemekanikk for å fungere optimalt. Hvis dette virkelig er sant, betyr det at vår forståelse av biologi er radikalt ufullstendig. Det betyr også at vi muligens kan kontrollere fysiologiske prosesser ved å bruke kvanteegenskapene til biologisk materiale.

Quantumness i biologi er sannsynligvis ekte

Forskere kan manipulere kvantefenomener for å bygge bedre teknologi. Faktisk bor du allerede i en kvantedrevet verden: fra laserpekere til GPS, magnetisk resonansavbildning og transistorene i datamaskinen din – alle disse teknologiene er avhengige av kvanteeffekter.

Generelt manifesterer kvanteeffekter seg bare ved svært små lengde- og masseskalaer, eller når temperaturene nærmer seg absolutt null. Dette er fordi kvanteobjekter som atomer og molekyler mister "kvanteheten" når de ukontrollert samhandler med hverandre og omgivelsene. Med andre ord er en makroskopisk samling av kvanteobjekter bedre beskrevet av lovene i klassisk mekanikk. Alt som starter quantum dør klassisk. For eksempel kan et elektron manipuleres til å være på to steder samtidig, men det vil ende opp på bare ett sted etter en kort stund - akkurat det som forventes klassisk.

I et komplisert, støyende biologisk system forventes det dermed at de fleste kvanteeffekter raskt vil forsvinne, vasket ut i det fysikeren Erwin Schrödinger kalte "varmt, vått miljø i cellen." For de fleste fysikere innebærer det faktum at den levende verden opererer ved forhøyede temperaturer og i komplekse miljøer at biologi kan beskrives tilstrekkelig og fullstendig av klassisk fysikk: ingen funky barriereovergang, ingen å være på flere steder samtidig.

Kjemikere har imidlertid i lang tid tryglet om å avvike. Forskning på grunnleggende kjemiske reaksjoner ved romtemperatur viser det entydig prosesser som skjer i biomolekyler som proteiner og genetisk materiale er resultatet av kvanteeffekter. Viktigere er at slike nanoskopiske, kortvarige kvanteeffekter stemmer overens med å drive noen makroskopiske fysiologiske prosesser som biologer har målt i levende celler og organismer. Forskning tyder på at kvanteeffekter påvirker biologiske funksjoner, inkludert regulerer enzymaktivitet, føler magnetiske felt, celle metabolismeog elektrontransport i biomolekyler.

Hvordan studere kvantebiologi

Den fristende muligheten for at subtile kvanteeffekter kan justere biologiske prosesser, utgjør både en spennende grense og en utfordring for forskere. Å studere kvantemekaniske effekter i biologi krever verktøy som kan måle korte tidsskalaer, små lengdeskalaer og subtile forskjeller i kvantetilstander som gir opphav til fysiologiske endringer - alt integrert i et tradisjonelt vått laboratoriemiljø.

I jobben min, bygger jeg instrumenter for å studere og kontrollere kvanteegenskapene til små ting som elektroner. På samme måte som elektroner har masse og ladning, har de også en kvanteegenskap kalt spinn. Spinn definerer hvordan elektronene samhandler med et magnetfelt, på samme måte som ladning definerer hvordan elektronene samhandler med et elektrisk felt. Kvanteeksperimentene jeg har bygget siden forskerskolen, og nå i mitt eget laboratorium, har som mål å bruke skreddersydde magnetiske felt for å endre spinnene til bestemte elektroner.

Forskning har vist at mange fysiologiske prosesser påvirkes av svake magnetiske felt. Disse prosessene inkluderer utvikling av stamceller og modning, celleproliferasjonshastigheter, reparasjon av genetisk materialeog utallige andre. Disse fysiologiske responsene på magnetiske felt er i samsvar med kjemiske reaksjoner som avhenger av spinn av bestemte elektroner i molekyler. Å bruke et svakt magnetfelt for å endre elektronspinn kan dermed effektivt kontrollere en kjemisk reaksjons sluttprodukter, med viktige fysiologiske konsekvenser.

Foreløpig hindrer en mangel på forståelse av hvordan slike prosesser fungerer på nanoskalanivå forskere fra å bestemme nøyaktig hvilken styrke og frekvens av magnetiske felt som forårsaker spesifikke kjemiske reaksjoner i celler. Nåværende mobiltelefon-, bærbar- og miniatyriseringsteknologier er allerede tilstrekkelige til å produsere skreddersydde, svake magnetiske felt som endrer fysiologi, både på godt og vondt. Den manglende brikken i puslespillet er derfor en "deterministisk kodebok" for hvordan man kartlegger kvanteårsaker til fysiologiske utfall.

I fremtiden kan finjustering av naturens kvanteegenskaper gjøre det mulig for forskere å utvikle terapeutiske enheter som er ikke-invasive, fjernstyrte og tilgjengelige med en mobiltelefon. Elektromagnetiske behandlinger kan potensielt brukes til å forebygge og behandle sykdom, som f.eks hjernesvulster, samt i bioproduksjon, som f.eks øke laboratoriedyrket kjøttproduksjon.

En helt ny måte å drive vitenskap på

Kvantebiologi er et av de mest tverrfaglige feltene som noensinne har dukket opp. Hvordan bygger du fellesskap og lærer opp forskere til å jobbe på dette området?

Siden pandemien har laboratoriet mitt ved University of California, Los Angeles og University of Surreys Quantum Biology Doctoral Training Center organisert Store kvantebiologimøter å tilby et uformelt ukentlig forum for forskere å møte og dele sin ekspertise innen felt som vanlig kvantefysikk, biofysikk, medisin, kjemi og biologi.

Forskning med potensielt transformative implikasjoner for biologi, medisin og fysiske vitenskaper vil kreve arbeid innenfor en like transformativ samarbeidsmodell. Å jobbe i ett enhetlig laboratorium ville tillate forskere fra disipliner som bruker svært forskjellige tilnærminger til forskning å utføre eksperimenter som møter bredden av kvantebiologi fra kvante til molekylært, cellulært og organisme.

Eksistensen av kvantebiologi som en disiplin innebærer at tradisjonell forståelse av livsprosesser er ufullstendig. Videre forskning vil føre til ny innsikt i det eldgamle spørsmålet om hva liv er, hvordan det kan kontrolleres, og hvordan man kan lære med naturen for å bygge bedre kvanteteknologier.

Denne artikkelen er publisert fra Den Conversation under en Creative Commons-lisens. Les opprinnelige artikkelen.

Bilde Credit: ANIRUDH / Unsplash

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tilgang her.
• Kjøp og selg aksjer i PRE-IPO-selskaper med PREIPO®. Tilgang her.
• kilde: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/