Voor de eerste keer, een chemicus van de Universiteit van Michigan heeft kwantumverstrengeling gebruikt om eiwitstructuren te onderzoeken, een proces waarbij slechts een zeer klein aantal lichtfotonen nodig is.

traditioneel, wetenschappers hebben krachtige laser scanning microscopen gebruikt om eiwitten op moleculaire schaal te bestuderen. Maar traditionele lasers hebben twee problemen. Eerst, de intensiteit van de laser kan het onderzochte monster beschadigen. Tweede, de laser beschiet het monster met fotonen, die zich vervolgens van het doel wegstrooien.

In plaats daarvan, U-M-hoogleraar chemie Theodore Goodson en de methode van zijn team om kwantumverstrengeling te gebruiken, gebruiken slechts een klein aantal fotonen om over moleculen te leren. In dit geval, het team bestudeerde flavines, een groep enzymen die cruciaal zijn voor het energiemetabolisme in het lichaam.

Kwantumverstrengeling is het idee dat de eigenschappen van een paar of groep deeltjes van elkaar afhankelijk zijn, zelfs als de deeltjes over grote afstanden van elkaar verwijderd zijn. Bijvoorbeeld, als een deeltje met de klok mee ronddraait, de andere in zijn paar zal de tegenovergestelde kant op draaien, als ze verstrikt zijn. Deze relatie blijft bestaan, zelfs als de deeltjes duizenden kilometers verwijderd zijn, aldus Goodson.

"Het blijkt dat als je fotonen hebt die verstrengeld zijn, die hoge mate van correlatie kan op een andere manier interageren met moleculen van eiwitten dan wanneer ze niet verstrengeld zijn, "Zei Goodson. "We zijn in staat om de eigenschappen van de eiwitten te onderzoeken met extreem kleine aantallen fotonen."

Verstrengelde fotonen worden geproduceerd door laserlicht door een kristal te sturen dat niet groter is dan de punt van een vingernagel. Wanneer het licht op een bepaalde manier door het kristal reist, sommige fotonen raken verstrengeld. Deze verstrengelde paren worden vervolgens gebruikt om de doelmoleculen te onderzoeken.

Deze fotonen wekken elektronische toestanden in het eiwit op. Gebaseerd op de elektromagnetische straling die het molecuul uitzendt wanneer het wordt geëxciteerd door de fotonen, Goodson kan specifieke eigenschappen van het molecuul bepalen, een methode genaamd spectroscopie.

Het aantal fotonen dat nodig is voor verstrengelde fotonspectroscopie is buitengewoon laag in vergelijking met traditionele laserspectroscopiemethoden.

"Kun je je voorstellen dat je een onderzoek doet waarbij je 10 ordes van grootte minder fotonen kunt gebruiken om de specifieke eigenschap van een materiaal te onderzoeken, biologisch monster, of een zeer kleine hoeveelheid van een chemische stof op een oppervlak?" zei Goodson.

Met behulp van deze methode, Goodson en zijn team konden een nieuwe interactie zien binnen een flavine-eiwit. Kijkend naar flavoproteïnen, het team was in staat om verschillen in hun spectroscopie te zien met behulp van kwantumverstrengeling in vergelijking met het gebruik van klassiek licht.

De methode opent nieuwe wegen voor beeldmicroscopie, aldus Goodson. Kijken naar verstrengelde fotonen die interageren met moleculen in eiwitten, kan wetenschappers iets nieuws leren over de elektronische toestanden van deze moleculen.

"Bijvoorbeeld, bij fotosynthese, wanneer fotonen energie leveren voor het fotosynthetische reactiecentrum, het mechanisme van dit effect kan worden versterkt door kwantumlicht te gebruiken, " zei hij. "Met een verstrengeld foton-excitatieproces, het kan mogelijk zijn om de energieoverdrachtsprocessen in biologische systemen zowel te optimaliseren als te verbeteren. Dit zou kunnen leiden tot nieuwe informatie over de chemische en biologische processen in deze natuurlijk voorkomende biologische complexen."

Volgende, de groep hoopt de eigenschappen van organische en biologische moleculen te bestuderen met behulp van verstrengelde fotonen in een microscoop. De co-auteurs van de studie zijn onder meer Juan Villabona-Monsalve en Oleg Varnavski in de UM-afdeling Chemie en Bruce Palfey in de UM-afdeling Biologische Chemie.