Wetenschap
Kwantumvezeloptica in de hersenen verbeteren de verwerking en kunnen bescherming bieden tegen degeneratieve ziekten
Volgens kwantumnormen zijn biologische systemen behoorlijk vijandige omgevingen:ze zijn warm en chaotisch, en zelfs hun fundamentele componenten, zoals cellen, worden als zeer groot beschouwd.
Maar een groep theoretische en experimentele onderzoekers heeft in de biologie een duidelijk kwantumeffect ontdekt dat deze moeilijke omstandigheden overleeft en mogelijk ook een manier voor de hersenen biedt om zichzelf te beschermen tegen degeneratieve ziekten zoals de ziekte van Alzheimer.
Het resultaat, gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry B is niet alleen een belangrijke ontdekking voor de neurowetenschappen, maar suggereert ook nieuwe toepassingen van technieken voor quantum computing-onderzoekers, en vertegenwoordigt een nieuwe manier van denken over de relatie tussen leven en kwantummechanica.
"Ik geloof dat ons werk een grote sprong voorwaarts is voor de kwantumbiologie, die ons voorbij de fotosynthese brengt en naar andere gebieden van onderzoek gaat:het onderzoeken van de implicaties voor de verwerking van kwantuminformatie en het ontdekken van nieuwe therapeutische benaderingen voor complexe ziekten", aldus Philip Kurian, Ph.D. , hoofdonderzoeker en oprichter en directeur van het Quantum Biology Laboratory aan de Howard University in Washington, DC.
Superradiantie van één foton
De ster van het onderzoek is tryptofaan:een molecuul dat het meest geassocieerd wordt met kalkoenmaaltijden, maar ook in veel biologische contexten voorkomt. Als aminozuur is het een fundamentele bouwsteen voor eiwitten en grotere structuren die van die eiwitten zijn gemaakt, zoals cilia, flagella en centriolen.
Een eenzaam molecuul tryptofaan vertoont een vrij standaard kwantumeigenschap:het kan een lichtdeeltje (een foton genoemd) met een bepaalde frequentie absorberen en een ander foton met een andere frequentie uitzenden. Dit proces wordt fluorescentie genoemd en wordt vaak gebruikt in onderzoeken om de eiwitreacties te onderzoeken.
Maar uit de studie bleek dat er iets vreemds gebeurt als heel veel tryptofaanmoleculen in een symmetrisch netwerk zijn gerangschikt, alsof ze zich in grotere structuren zoals centriolen bevinden:ze fluoresceren sterker en sneller dan wanneer ze onafhankelijk zouden fluoresceren. Het collectieve gedrag wordt 'superstraling' genoemd en gebeurt vanwege de kwantummechanica alleen met afzonderlijke fotonen.
Dit resultaat demonstreert een fundamenteel kwantumeffect op een plek waar doorgaans niet wordt verwacht dat kwantumeffecten kunnen overleven:een groter object in een warme, "luidruchtige" omgeving.
"Deze publicatie is de vrucht van tien jaar werk waarbij we deze netwerken beschouwen als belangrijke aanjagers van belangrijke kwantumeffecten op cellulair niveau", aldus Kurian.
"Het is een prachtig resultaat", zei professor Majed Chergui van het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie (EPFL) in Lausanne, Zwitserland, die het experimentele team leidde. "Er was een zeer nauwkeurige en zorgvuldige toepassing van standaard eiwitspectroscopiemethoden voor nodig, maar op basis van de theoretische voorspellingen van onze medewerkers konden we een verbluffende signatuur van superstraling bevestigen in een biologisch systeem op micronschaal."
Neuronen
Deze grote tryptofaannetwerken bestaan in neuronen, de cellen waaruit het zenuwstelsel van zoogdieren bestaat. De aanwezigheid van kwantumsuperstraling in de vezelachtige bundels van neuronen heeft twee grote potentiële implicaties:bescherming tegen degeneratieve ziekten en de overdracht van kwantumsignalen in de hersenen.
Degeneratieve hersenziekten zoals de ziekte van Alzheimer zijn in verband gebracht met een hoge mate van oxidatieve stress, waarbij het lichaam een groot aantal vrije radicalen met zich meedraagt, die schadelijke, hoogenergetische UV-lichtdeeltjes kunnen uitstralen.
Tryptofaan kan dit ultraviolette licht absorberen en opnieuw uitzenden met een lagere, veiligere energie. En zoals uit dit onderzoek blijkt, kunnen zeer grote tryptofaannetwerken dit nog efficiënter en robuuster doen vanwege hun krachtige kwantumeffecten.
"Deze fotoprotectie kan van cruciaal belang blijken bij het verbeteren of stoppen van de progressie van degeneratieve ziekten", aldus Kurian. "We hopen dat dit een reeks nieuwe experimenten zal inspireren om te begrijpen hoe kwantum-versterkte fotoprotectie een rol speelt bij complexe pathologieën die gedijen onder zeer oxidatieve omstandigheden."
De tweede implicatie voor superstraling in de hersenen heeft te maken met de manier waarop neuronen signalen doorgeven. Het standaardmodel voor neuronale signalering omvat ionen die door membranen bewegen van het ene uiteinde van het neuron naar het andere, in een chemisch proces dat voor elk signaal enkele milliseconden duurt. Maar neurowetenschappelijke onderzoekers zijn zich er pas onlangs van bewust geworden dat dit niet het hele verhaal kan zijn.
Superstraling in de hersenen vindt plaats in minder dan een picoseconde – een miljardste van een milliseconde. Deze tryptofaannetwerken zouden kunnen functioneren als kwantumvezeloptica waarmee de hersenen informatie honderden miljoenen keren sneller kunnen verwerken dan alleen chemische processen mogelijk zouden maken.
"De Kurian-groep en collega's hebben ons begrip van informatiestromen in de biologie op kwantumniveau verrijkt", zegt Michael Levin, directeur van het Tufts Center for Regenerative and Developmental Biology, die niet bij het werk betrokken was.
"Dergelijke kwantumoptische netwerken zijn wijdverspreid, niet alleen in neurale systemen maar in grote lijnen in het hele levensweb. De opmerkelijke eigenschappen van deze signaal- en informatieverwerkingsmodaliteit zouden enorm relevant kunnen zijn voor de evolutionaire, fysieke en computationele biologie."
Kwantuminformatie
De theoretische kant van dit werk heeft de aandacht getrokken van onderzoekers in de kwantumtechnologie, omdat het voortbestaan van fragiele kwantumeffecten in een ‘rommelige’ omgeving van groot belang is voor degenen die de kwantuminformatietechnologie veerkrachtiger willen maken. Kurian zegt dat hij gesprekken heeft gehad met verschillende kwantumtechnologieonderzoekers die verrast waren een dergelijk verband in de biologische wetenschappen te ontdekken.
"Deze nieuwe resultaten zullen van belang zijn voor de grote gemeenschap van onderzoekers op het gebied van open kwantumsystemen en kwantumberekeningen, omdat de theoretische methoden die in dit onderzoek worden gebruikt op die gebieden op grote schaal worden gebruikt om complexe kwantumnetwerken in luidruchtige omgevingen te begrijpen", aldus professor Nicolò Defenu. van het Federal Institute of Technology (ETH) Zürich in Zwitserland, een kwantumonderzoeker die niet bij het werk betrokken was.
"Het is echt intrigerend om een essentieel verband te zien tussen kwantumcomputing en levende systemen."
Het werk trok ook de aandacht van kwantumfysicus Marlan Scully, een laserpionier op het gebied van de kwantumoptica en een van de toonaangevende experts op het gebied van superstraling.
"Single-photon superradiance belooft nieuwe hulpmiddelen te opleveren voor het opslaan van kwantuminformatie, en dit werk toont de effecten ervan in een totaal nieuwe en andere context", aldus Scully. "We zullen de implicaties voor kwantumeffecten in levende systemen de komende jaren zeker nauwlettend onderzoeken."