Kvantbiologi kan revolutionera vår förståelse av hur livet fungerar

Föreställ dig att du använder din mobiltelefon för att kontrollera dina egna cellers aktivitet för att behandla skador och sjukdomar. Det låter som något från fantasin hos en alltför optimistisk science fiction-författare. Men detta kan en dag vara en möjlighet genom det framväxande området kvantbiologi.

Under de senaste decennierna har forskare gjort otroliga framsteg i att förstå och manipulera biologiska system i allt mindre skala, från proteinveckning till genteknik. Och ändå, i vilken utsträckning kvanteffekter påverkar levande system förblir knappt förstådd.

Kvanteffekter är fenomen som uppstår mellan atomer och molekyler som inte kan förklaras av klassisk fysik. Det har varit känt i mer än ett sekel att reglerna för klassisk mekanik, som Newtons rörelselagar, bryts ner på atomär skala. Istället beter sig små föremål enligt en annan uppsättning lagar som kallas kvantmekanik.

För människor, som bara kan uppfatta den makroskopiska världen, eller vad som är synligt för blotta ögat, kan kvantmekaniken verka kontraintuitiv och något magisk. Saker du kanske inte förväntar dig händer i kvantvärlden, som elektroner som "tunnlar" igenom små energibarriärer och dyker upp på andra sidan oskadda, eller befinner sig på två olika platser samtidigt i en fenomen som kallas superposition.

Jag är utbildad till kvantingenjör. Forskning inom kvantmekanik är vanligtvis inriktad på teknik. Emellertid, och något överraskande, finns det allt fler bevis för att naturen – en ingenjör med miljarder år av praktik – har lärt sig hur man använda kvantmekanik för att fungera optimalt. Om detta verkligen är sant betyder det att vår förståelse av biologi är radikalt ofullständig. Det betyder också att vi möjligen skulle kunna kontrollera fysiologiska processer genom att använda biologisk materias kvantegenskaper.

Quantumness in Biology är förmodligen verklig

Forskare kan manipulera kvantfenomen för att bygga bättre teknik. Faktum är att du redan bor i en kvantdriven värld: från laserpekare till GPS, magnetisk resonansavbildning och transistorerna i din dator – alla dessa teknologier är beroende av kvanteffekter.

I allmänhet manifesterar kvanteffekter endast vid mycket små längd- och massskalor, eller när temperaturen närmar sig absolut noll. Detta beror på att kvantobjekt som atomer och molekyler förlora sin "kvantitet" när de okontrollerat interagerar med varandra och sin omgivning. Med andra ord, en makroskopisk samling av kvantobjekt beskrivs bättre av den klassiska mekanikens lagar. Allt som börjar kvantum dör klassiskt. Till exempel kan en elektron manipuleras för att vara på två ställen samtidigt, men den kommer bara att hamna på ett ställe efter en kort stund – precis vad man skulle förvänta sig klassiskt.

I ett komplicerat, bullrigt biologiskt system förväntas det således att de flesta kvanteffekter snabbt kommer att försvinna, tvättade ut i vad fysikern Erwin Schrödinger kallade "varm, våt miljö i cellen.” För de flesta fysiker innebär det faktum att den levande världen fungerar vid förhöjda temperaturer och i komplexa miljöer att biologin kan beskrivas adekvat och fullständigt av klassisk fysik: ingen funky barriärkorsning, ingen att vara på flera platser samtidigt.

Kemister har dock under lång tid bett om att skilja sig åt. Forskning om grundläggande kemiska reaktioner vid rumstemperatur visar entydigt det processer som sker inom biomolekyler som proteiner och genetiskt material är resultatet av kvanteffekter. Viktigt är att sådana nanoskopiska, kortlivade kvanteffekter är förenliga med att driva vissa makroskopiska fysiologiska processer som biologer har mätt i levande celler och organismer. Forskning tyder på att kvanteffekter påverkar biologiska funktioner, inklusive reglerar enzymaktivitet, känner av magnetiska fält, cellmetabolismoch elektrontransport i biomolekyler.

Hur man studerar kvantbiologi

Den lockande möjligheten att subtila kvanteffekter kan justera biologiska processer utgör både en spännande gräns och en utmaning för forskare. Att studera kvantmekaniska effekter inom biologi kräver verktyg som kan mäta korta tidsskalor, små längdskalor och subtila skillnader i kvanttillstånd som ger upphov till fysiologiska förändringar - allt integrerat i en traditionell våt labbmiljö.

I mitt jobb, bygger jag instrument för att studera och kontrollera kvantegenskaperna hos små saker som elektroner. På samma sätt som elektroner har massa och laddning har de också en kvantegenskap som kallas spin. Spin definierar hur elektronerna interagerar med ett magnetfält, på samma sätt som laddningen definierar hur elektroner interagerar med ett elektriskt fält. Kvantexperimenten jag har byggt sedan forskarskolan, och nu i mitt eget labb, syftar till att applicera skräddarsydda magnetfält för att ändra snurrandet av specifika elektroner.

Forskning har visat att många fysiologiska processer påverkas av svaga magnetfält. Dessa processer inkluderar stamcellsutveckling och mognande, cellproliferationshastigheter, reparation av genetiskt materialoch otaliga andra. Dessa fysiologiska svar på magnetfält överensstämmer med kemiska reaktioner som beror på spinn av specifika elektroner i molekyler. Att applicera ett svagt magnetfält för att ändra elektronsnurr kan således effektivt kontrollera en kemisk reaktions slutprodukter, med viktiga fysiologiska konsekvenser.

För närvarande hindrar en bristande förståelse för hur sådana processer fungerar på nanoskalanivå forskare från att avgöra exakt vilken styrka och frekvens av magnetfält som orsakar specifika kemiska reaktioner i celler. Nuvarande mobiltelefoner, bärbara och miniatyriseringsteknologier är redan tillräckliga för att producera skräddarsydda, svaga magnetfält som förändrar fysiologi, både på gott och ont. Den saknade pusselbiten är därför en "deterministisk kodbok" om hur man kartlägger kvantorsaker till fysiologiska resultat.

I framtiden kan finjustering av naturens kvantegenskaper göra det möjligt för forskare att utveckla terapeutiska enheter som är icke-invasiva, fjärrstyrda och tillgängliga med en mobiltelefon. Elektromagnetiska behandlingar skulle potentiellt kunna användas för att förebygga och behandla sjukdomar, som t.ex hjärntumörer, samt inom biotillverkning, som t.ex öka labbodlat köttproduktion.

Ett helt nytt sätt att göra vetenskap

Kvantbiologi är ett av de mest tvärvetenskapliga områden som någonsin har dykt upp. Hur bygger man gemenskap och utbildar forskare att arbeta inom detta område?

Sedan pandemin har mitt labb vid University of California, Los Angeles och University of Surreys Quantum Biology Doctoral Training Center organiserat Stora kvantbiologimöten att tillhandahålla ett informellt veckoforum där forskare kan träffas och dela sin expertis inom områden som vanlig kvantfysik, biofysik, medicin, kemi och biologi.

Forskning med potentiellt transformativa implikationer för biologi, medicin och fysik kommer att kräva arbete inom en lika transformativ modell för samarbete. Att arbeta i ett enat labb skulle göra det möjligt för forskare från discipliner som använder mycket olika tillvägagångssätt för forskning att utföra experiment som möter bredden av kvantbiologi från kvant till molekylär, cellulär och organism.

Förekomsten av kvantbiologi som en disciplin innebär att traditionell förståelse av livsprocesser är ofullständig. Ytterligare forskning kommer att leda till nya insikter i den urgamla frågan om vad liv är, hur det kan kontrolleras och hur man kan lära sig med naturen för att bygga bättre kvantteknologier.

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

Image Credit: ANIRUDH / Unsplash

• SEO-drivet innehåll och PR-distribution. Bli förstärkt idag.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Kunskap förstärkt. Tillgång här.
• Minting the Future med Adryenn Ashley. Tillgång här.
• Köp och sälj aktier i PRE-IPO-företag med PREIPO®. Tillgång här.
• Källa: https://singularityhub.com/2023/05/19/quantum-biology-could-revolutionize-our-understanding-of-how-life-works/