Antibiotiske stofbølger:Kvantebølge -karakteren af ​​et komplekst antibiotisk polypeptid

En af kvantemekanikkens centrale principper er bølge-partikel-dualiteten. Det fortæller os, at selv massive objekter opfører sig som både partikler og bølger. En række tidligere forsøg har vist dette for elektroner, neutroner, atomer og endda store molekyler. Kvanteteorien fastholder, at dette er en universel egenskab af stof. Imidlertid, det havde været notorisk svært at udvide denne forskning til komplekse biomolekylære systemer. Nye eksperimenter ved universitetet i Wien, understøttet af kvantekemisk modellering ved Stanford University, demonstrer nu for første gang kvantebølge -karakteren af ​​et komplekst antibiotisk polypeptid, her gramicidin. Resultaterne er blevet offentliggjort i Naturkommunikation .

Kvanteforstyrrelser i livets byggesten

Partikelbølgedualiteten er et allestedsnærværende fænomen i kvantefysikken, og selvom den har været kendt i næsten et århundrede, det udløser stadig forvirring, når vi ser det realiseret i komplekse spørgsmål:hvordan kan et objekt delokaliseres på en bølgelignende måde? Hvis kvantefysik er en universel teori:hvor komplekst kan et objekt være for stadig at observere denne kontraintuitive adfærd? Gælder det stadig større klumper stof, eller endda til livets byggesten, f.eks. peptider og proteiner?

Forskningsgruppen omkring Markus Arndt ved universitetet i Wien udvikler sofistikerede værktøjer til at lancere, diffrakt, forstyrre og detektere komplekse molekyler. Imidlertid, at teste kvantefysik med lange aminosyrekæder havde været uoverkommeligt indtil nu. De måtte overvinde udfordringerne i forbindelse med at generere tilstrækkeligt intense stråler af disse biopolymerer, at isolere dem i højt vakuum fra ethvert forstyrrende miljø, og at etablere sammenhængende værktøjer til at undersøge deres kvantekarakter.

I det nye værk, der blev offentliggjort i Naturkommunikation , Armin Shayeghi og kolleger demonstrerer for første gang kvanteinterferens af det naturlige polypeptid gramicidin, et antibiotikum fremstillet af 15 kovalent bundne aminosyrer. En nøgle til denne succes var brugen af ​​ultrahurtigt og intenst laserlys til at desorbere peptiderne, før de kunne dekomponere og stofbølgeinterferometri udnytte diffraktionselementer baseret på kvantemåling. Disse teknikker skal bane vejen til endnu mere komplekse biologiske nanomaterialer fra proteiner til DNA. Denne forskning er drevet af den grundlæggende interesse for at undersøge kvantfysikkens grænser og etablere nye kvanteforbedrede teknologier som minimalt invasive analyseværktøjer til individuelle biomolekyler isoleret i gasfasen.

Eksperimentel tilgang

Femtosekund korte ultraviolette laserpulser slår de skrøbelige molekyler af en overflade. Partiklerne fejes væk i en stråle af kolde argonatomer. Rejser med hastigheder på op til 600 m/s har gramicidinmolekylerne en lille bølgelængde på kun 350 femtometer, omkring en ti tusindedel af selve biomolekylernes diameter. Shayeghi et al. brugte en meget følsom teknik kendt som tidsdomæne Talbot-Lau interferometri til at måle deres kvantefrynsemønster og finde ud af, at den molekylære sammenhæng er delokaliseret over mere end 20 gange molekylernes størrelse, som kun kan forklares ved kvantemekanik. Denne konklusion bekræftes af yderligere kvantekemiske beregninger på højt niveau, i samarbejde med Todd J. Martinez fra Stanford University, forudsige elektronisk struktur og egenskaber, der går ind i fase-rumsimuleringer for at modellere interferensprocessen.

"Vores nye teknik vil muliggøre detaljerede undersøgelser af biomolekylers kvanteegenskaber, og det baner vejen for en ny form for optisk spektroskopi af biologisk relevante molekyler, "siger Shayeghi.