Kvantefiberoptik i hjernen forbedrer behandlingen, kan beskytte mod degenerative sygdomme

Virkningerne af kvantemekanikken - fysikkens love, der gælder i overordentlig lille skala - er ekstremt følsomme over for forstyrrelser. Dette er grunden til, at kvantecomputere skal holdes ved temperaturer, der er koldere end det ydre rum, og kun meget, meget små genstande, såsom atomer og molekyler, udviser generelt kvanteegenskaber.

Efter kvantestandarder er biologiske systemer ret fjendtlige miljøer:de er varme og kaotiske, og selv deres grundlæggende komponenter – såsom celler – anses for at være meget store.

Men en gruppe teoretiske og eksperimentelle forskere har opdaget en udpræget kvanteeffekt i biologien, der overlever disse vanskelige tilstande og kan også præsentere en måde for hjernen at beskytte sig selv mod degenerative sygdomme som Alzheimers.

Resultatet, offentliggjort i The Journal of Physical Chemistry B er ikke kun en vigtig opdagelse for neurovidenskab, men foreslår også nye anvendelser af teknikker for kvantecomputerforskere og repræsenterer en ny måde at tænke på forholdet mellem liv og kvantemekanik.

"Jeg tror på, at vores arbejde er et kvantespring for kvantebiologi, der fører os ud over fotosyntesen og ind i andre udforskningsområder:at undersøge implikationer for kvanteinformationsbehandling og opdage nye terapeutiske tilgange til komplekse sygdomme," sagde Philip Kurian, Ph.D. , hovedefterforsker og stiftende direktør for Quantum Biology Laboratory ved Howard University i Washington, DC.

Enkeltfoton-superstråling

Stjernen i undersøgelsen er tryptofan:et molekyle, der er mest forbundet med kalkunmiddage, men som også findes i mange biologiske sammenhænge. Som en aminosyre er det en grundlæggende byggesten for proteiner og større strukturer lavet af disse proteiner, såsom cilia, flageller og centrioler.

Et ensomt molekyle af tryptofan viser en ret standard kvanteegenskab:det kan absorbere en partikel af lys (kaldet en foton) ved en bestemt frekvens og udsende en anden foton ved en anden frekvens. Denne proces kaldes fluorescens og bruges meget ofte i undersøgelser til at undersøge proteinresponser.

Men undersøgelsen fandt ud af, at der sker noget mærkeligt, når mange, mange tryptofanmolekyler er arrangeret i et symmetrisk netværk, ligesom de er i større strukturer som centrioler - de fluorescerer stærkere og hurtigere, end de ville, hvis de fluorescerede uafhængigt. Den kollektive adfærd kaldes "overstråling", og det sker kun med enkelte fotoner på grund af kvantemekanikken.

Dette resultat demonstrerer en fundamental kvanteeffekt på et sted, hvor kvanteeffekter typisk ikke forventes at kunne overleve:et større objekt i et varmt, "støjende" miljø.

"Denne publikation er frugten af ​​et årtis arbejde med at tænke på disse netværk som nøgledrivere for vigtige kvanteeffekter på celleniveau," sagde Kurian.

"Det er et smukt resultat," sagde professor Majed Chergui fra The Swiss Federal Institute of Technology (EPFL) i Lausanne, Schweiz, som ledede forsøgsholdet. "Det krævede meget præcis og omhyggelig anvendelse af standardproteinspektroskopimetoder, men styret af vores samarbejdspartneres teoretiske forudsigelser var vi i stand til at bekræfte en fantastisk signatur af superstråling i et biologisk system i mikronskala."

Neuroner

Disse store tryptofan-netværk findes i neuroner, de celler, der udgør pattedyrets nervesystem. Tilstedeværelsen af ​​kvantesuperstråling i de fiberlignende bundter af neuroner har to store potentielle implikationer:beskyttelse mod degenerative sygdomme og transmission af kvantesignaler i hjernen.

Degenerative hjernesygdomme som Alzheimers er blevet forbundet med høje grader af oxidativt stress – når kroppen bærer et stort antal frie radikaler, som kan udsende skadelige, højenergiske UV-lyspartikler.

Tryptofan kan absorbere dette ultraviolette lys og genudsende det ved en lavere, sikrere energi. Og som denne undersøgelse fandt, kan meget store tryptofannetværk gøre dette endnu mere effektivt og robust på grund af deres kraftige kvanteeffekter.

"Denne fotobeskyttelse kan vise sig at være afgørende for at lindre eller standse udviklingen af ​​degenerativ sygdom," sagde Kurian. "Vi håber, at dette vil inspirere til en række nye eksperimenter for at forstå, hvordan kvanteforstærket fotobeskyttelse spiller en rolle i komplekse patologier, der trives under stærkt oxidative forhold."

Den anden implikation for superstråling i hjernen har at gøre med, hvordan neuroner transmitterer signaler. Standardmodellen for neuronal signalering involverer ioner, der bevæger sig over membraner fra den ene ende af neuronen til den anden, i en kemisk proces, der tager et par millisekunder for hvert signal. Men neurovidenskabsforskere er først for nylig blevet klar over, at dette ikke kan være hele historien.

Superstråling i hjernen sker på under et picosekund - en milliardtedel af et millisekund. Disse tryptofan-netværk kunne fungere som kvantefiberoptik, der tillader hjernen at behandle information hundredvis af millioner gange hurtigere, end kemiske processer alene ville tillade.

"Kurian-gruppen og kolleger har beriget vores forståelse af informationsstrømme i biologi på kvanteniveau," sagde Michael Levin, direktør for Tufts Center for Regenerative and Developmental Biology, som ikke var tilknyttet arbejdet.

"Sådanne kvanteoptiske netværk er udbredte, ikke kun i neurale systemer, men bredt i hele livets væv. De bemærkelsesværdige egenskaber ved denne signalerings- og informationsbehandlingsmodalitet kan være enormt relevante for evolutionær, fysisk og beregningsbiologi."

Kvanteoplysninger

Den teoretiske side af dette arbejde har tiltrukket forskere inden for kvanteteknologi, fordi overlevelsen af ​​skrøbelige kvanteeffekter i et "rodet" miljø er af stor interesse for dem, der ønsker at gøre kvanteinformationsteknologien mere modstandsdygtig. Kurian siger, at han har haft samtaler med adskillige kvanteteknologiforskere, som var overraskede over at finde en sådan forbindelse i de biologiske videnskaber.

"Disse nye resultater vil være af interesse for det store samfund af forskere inden for åbne kvantesystemer og kvanteberegninger, fordi de teoretiske metoder, der er brugt i denne undersøgelse, er meget brugt inden for disse områder til at forstå komplekse kvantenetværk i støjende miljøer," sagde professor Nicolò Defenu fra Federal Institute of Technology (ETH) Zürich i Schweiz, en kvanteforsker, der ikke var tilknyttet arbejdet.

"Det er virkelig spændende at se en vital sammenhæng mellem kvantecomputere og levende systemer."

Arbejdet tiltrak også kvantefysikeren Marlan Scully, en laserpioner inden for kvanteoptik og en af ​​de førende eksperter i superstråling.

"Single-photon superradiance lover at give nye værktøjer til lagring af kvanteinformation, og dette arbejde viser dets virkninger i en helt ny og anderledes kontekst," sagde Scully. "Vi vil helt sikkert nøje undersøge implikationerne for kvanteeffekter i levende systemer i de kommende år."

Flere oplysninger: N. S. Babcock et al., Ultraviolet Superradiance from Mega-Networks of Tryptophan in Biological Architectures, The Journal of Physical Chemistry B (2024). DOI:10.1021/acs.jpcb.3c07936

Journaloplysninger: Journal of Physical Chemistry B

Leveret af Howard University