Een van de centrale principes van de kwantummechanica is de dualiteit van golven en deeltjes. Het vertelt ons dat zelfs massieve objecten zich gedragen als zowel deeltjes als golven. Een aantal eerdere experimenten hebben dit aangetoond voor elektronen, neutronen, atomen en zelfs grote moleculen. De kwantumtheorie stelt dat dit een universele eigenschap van materie is. Echter, het was notoir moeilijk om dit onderzoek uit te breiden tot complexe biomoleculaire systemen. Nieuwe experimenten aan de Universiteit van Wenen, ondersteund door kwantumchemische modellering aan de Stanford University, demonstreren nu voor het eerst de kwantumgolfaard van een complex antibioticumpolypeptide, hier gramicidine. De resultaten zijn gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Kwantuminterferentie met bouwstenen van het leven

De deeltjesgolf-dualiteit is een alomtegenwoordig fenomeen in de kwantumfysica en hoewel het al bijna een eeuw bekend is, het roept nog steeds verwarring op als we het in complexe materie gerealiseerd zien:hoe kan een object op een golfachtige manier worden gedelokaliseerd? Als kwantumfysica een universele theorie is:hoe complex kan een object zijn om dit contra-intuïtieve gedrag nog steeds te observeren? Geldt het nog steeds voor grotere brokken materie, of zelfs tot de bouwstenen van het leven, zoals bijvoorbeeld peptiden en eiwitten?

De onderzoeksgroep rond Markus Arndt aan de Universiteit van Wenen ontwikkelt geavanceerde tools voor het lanceren, afbuigen, interfereren en detecteren complexe moleculen. Echter, het testen van kwantumfysica met lange aminozuurketens was tot nu toe onbetaalbaar. Ze moesten de uitdagingen overwinnen die verband houden met het genereren van voldoende intense stralen van deze biopolymeren, om ze in hoog vacuüm te isoleren van elke storende omgeving, en om coherente instrumenten vast te stellen om hun kwantumaard te onderzoeken.

In het nieuwe werk gepubliceerd in Natuurcommunicatie , Armin Shayeghi en collega's demonstreren voor het eerst kwantuminterferentie van het natuurlijke polypeptide gramicidine, een antibioticum gemaakt van 15 covalent gebonden aminozuren. Een sleutel tot dit succes was het gebruik van ultrasnel en intens laserlicht om de peptiden te desorberen voordat ze konden ontleden en materie-golfinterferometrie waarbij diffractie-elementen werden gebruikt op basis van kwantummeting. Deze technieken moeten de weg vrijmaken voor nog complexere biologische nanomaterialen van eiwitten tot DNA. Dit onderzoek wordt gedreven door de fundamentele interesse in het verkennen van de grenzen van de kwantumfysica en in het vaststellen van nieuwe kwantumversterkte technologieën als minimaal invasieve analytische hulpmiddelen voor individuele biomoleculen geïsoleerd in de gasfase.

experimentele benadering

Femtoseconde korte ultraviolette laserpulsen slaan de kwetsbare moleculen van een oppervlak. De deeltjes worden weggevaagd in een straal koude argonatomen. Reizend met snelheden tot 600 m/s hebben de gramicidine-moleculen een kleine golflengte van slechts 350 femtometers, ongeveer een tienduizendste van de diameter van de biomoleculen zelf. Shayeghi et al. een zeer gevoelige techniek gebruikt die bekend staat als tijddomein Talbot-Lau-interferometrie om hun kwantumrandpatroon te meten en te ontdekken dat de moleculaire coherentie is gedelokaliseerd over meer dan 20 keer de grootte van de moleculen, die alleen kan worden verklaard door de kwantummechanica. Deze conclusie wordt bevestigd door aanvullende kwantumchemische berekeningen op hoog niveau, in samenwerking met Todd J. Martinez van Stanford University, het voorspellen van elektronische structuur en eigenschappen die faseruimtesimulaties binnenkomen om het interferentieproces te modelleren.

"Onze nieuwe techniek zal gedetailleerde studies van de kwantumeigenschappen van biomoleculen mogelijk maken en het maakt de weg vrij voor een nieuw soort optische spectroscopie van biologisch relevante moleculen, ' zegt Shayeghi.