Bakterier ved, hvordan de udnytter kvantemekanik, undersøgelse finder

Fotosyntetiske organismer høster lys fra solen for at producere den energi, de har brug for for at overleve. Et nyt papir udgivet af forskere ved University of Chicago afslører deres hemmelighed:udnyttelse af kvantemekanik.

"Inden denne undersøgelse, det videnskabelige samfund så kvantesignaturer genereret i biologiske systemer og stillede spørgsmålet, var disse resultater bare en konsekvens af, at biologi blev bygget af molekyler, eller havde de et formål? "sagde Greg Engel, Professor i kemi og seniorforfatter på undersøgelsen. "Det er første gang, vi ser biologi aktivt udnytte kvanteeffekter."

Forskerne studerede en type mikroorganisme kaldet grønne svovlbakterier. Disse bakterier har brug for lys for at overleve, men selv små mængder ilt kan skade deres sarte fotosyntetiske udstyr. Så de skal udvikle måder at minimere skaden, når bakterien støder på ilt.

For at studere denne proces, forskere fulgte energibevægelsen gennem et fotosyntetisk protein under forskellige forhold - med ilt omkring, og uden.

De fandt ud af, at bakterien bruger en kvantemekanisk effekt kaldet vibronic blanding til at flytte energi mellem to forskellige veje, afhængigt af om der er ilt i nærheden eller ej. Vibronic -blanding involverer vibrations- og elektroniske egenskaber i molekyler, der kobler til hinanden. I det væsentlige, vibrationerne blandes så fuldstændigt med de elektroniske tilstande, at deres identitet bliver uadskillelig. Denne bakterie bruger dette fænomen til at guide energi, hvor den har brug for den.

Hvis der ikke er ilt i nærheden, og bakterien er sikker, bakterien bruger vibronic blanding ved at matche energiforskellen mellem to elektroniske tilstande i en samling af molekyler og proteiner kaldet FMO -komplekset, med energien fra vibrationen af ​​et bakteriochlorofylmolekyle. Dette tilskynder energien til at strømme gennem den 'normale' vej mod det fotosyntetiske reaktionscenter, som er pakket fuld af klorofyl.

Men hvis der er ilt rundt omkring, organismen har udviklet sig til at styre energien gennem en mindre direkte vej, hvor den kan slukkes. (Slukningsenergi svarer til at lægge en håndflade på en vibrerende guitarstreng for at sprede energi.) På denne måde kan bakterien mister noget energi, men sparer hele systemet.

For at opnå denne effekt, et par cysteinrester i det fotosyntetiske kompleks fungerer som en udløser:De reagerer hver med iltet i miljøet ved at miste en proton, som forstyrrer den vibronic blanding. Dette betyder, at energi nu fortrinsvis bevæger sig gennem den alternative vej, hvor det sikkert kan slukkes. Dette princip er lidt som at spærre to baner på en motorvej og aflede noget trafik til lokale veje, hvor der er mange flere frakørsler.

"Det interessante ved dette resultat er, at vi ser proteinet tænde og slukke den vibronic -kobling som reaktion på miljøændringer i cellen, "sagde Jake Higgins, en kandidatstuderende ved Institut for Kemi og hovedforfatter af papiret. "Proteinet bruger kvanteeffekten til at beskytte organismen mod oxidativ skade."

Disse fund medfører en spændende ny åbenbaring om biologi; ved hjælp af en eksplicit kvantemekanisme til beskyttelse af systemet viser en vigtig tilpasning, og at kvanteeffekter kan være vigtige for overlevelse.

Dette fænomen er sandsynligvis ikke begrænset til grønne svovlbakterier, sagde forskerne. Som Higgins forklarede, "Mekanismens enkelhed antyder, at den kan findes i andre fotosyntetiske organismer på tværs af det evolutionære landskab. Hvis flere organismer er i stand til dynamisk at modulere kvantemekaniske koblinger i deres molekyler for at producere større ændringer i fysiologien, der kunne være et helt nyt sæt effekter valgt af naturen, som vi endnu ikke kender til. "