_ Fibră optică cuantică în creierul îmbunătățește procesarea, poate proteja împotriva bolilor degenerative

Efectele mecanicii cuantice - legile fizicii care se aplică la scari extrem de mici - sunt extrem de sensibile la perturbări. Acesta este motivul pentru care computerele cuantice trebuie ținute la temperaturi mai scăzute decât spațiul cosmic și numai obiectele foarte, foarte mici, cum ar fi atomii și moleculele, prezintă în general proprietăți cuantice.

După standardele cuantice, sistemele biologice sunt destul de ostile. medii: sunt calde și haotice și chiar și componentele lor fundamentale, cum ar fi celulele, sunt considerate foarte mari.

Dar un grup de cercetători teoretici și experimentali a descoperit un efect cuantic distinct în biologie care supraviețuiește acestora. condiții dificile și poate prezenta, de asemenea, o modalitate prin care creierul se protejează de boli degenerative precum Alzheimer.

Rezultatul, publicat în The Journal of Physical Chemistry B nu este doar o descoperire importantă pentru neuroștiință, dar sugerează și noi aplicații ale tehnicilor pentru cercetătorii de calcul cuantic și reprezintă un nou mod de a gândi despre relația dintre viață și mecanica cuantică.

„Cred că munca noastră este un salt cuantic pentru biologia cuantică, care ne duce dincolo de fotosinteză. și în alte domenii de explorare: investigarea implicațiilor pentru procesarea informațiilor cuantice și descoperirea de noi abordări terapeutice pentru boli complexe”, a declarat Philip Kurian, Ph.D., cercetător principal și director fondator al Laboratorului de Biologie Cuantică de la Universitatea Howard din Washington, DC. .

Steaua studiului este triptofanul: o moleculă care este cel mai mult asociată cu cinele cu curcan, dar se găsește și în multe contexte biologice. Ca aminoacid, este un element fundamental pentru proteine ​​și structuri mai mari realizate din acele proteine, cum ar fi cilii, flageli și centrioli.

O moleculă singură de triptofan prezintă o proprietate cuantică destul de standard: poate absorb o particulă de lumină (numită foton) la o anumită frecvență și emite un alt foton la o frecvență diferită. Acest proces se numește fluorescență și este foarte des folosit în studii pentru a investiga răspunsurile proteinelor.

Dar studiul a constatat că un lucru ciudat se întâmplă atunci când multe, multe molecule de triptofan sunt aranjate într-o rețea simetrică, așa cum sunt în structuri mai mari, cum ar fi centriolii - au fluorescentă mai puternică și mai rapidă decât ar face-o dacă ar fi fluorescentă independent. Comportamentul colectiv se numește „superradianță” și se întâmplă doar cu fotoni unici din cauza mecanicii cuantice.

Acest rezultat demonstrează un efect cuantic fundamental într-un loc în care efectele cuantice nu sunt de obicei de așteptat să poată supraviețui : un obiect mai mare într-un mediu cald, „zgomotos”.

„Această publicație este rodul unui deceniu de muncă gândită la aceste rețele ca factori cheie pentru efecte cuantice importante la nivel celular”, a spus Kurian. .

„Este un rezultat frumos”, a spus profesorul Majed Chergui de la Institutul Federal Elvețian de Tehnologie (EPFL) din Lausanne, Elveția, care a condus echipa experimentală. „A fost nevoie de o aplicare foarte precisă și atentă a metodelor standard de spectroscopie a proteinelor, dar ghidați de predicțiile teoretice ale colaboratorilor noștri, am putut confirma o semnătură uimitoare a superradiantei într-un sistem biologic la scară micron.”

Aceste rețele mari de triptofan există în neuroni, celulele care alcătuiesc sistemul nervos al mamiferelor. Prezența superradianței cuantice în fasciculele de neuroni asemănătoare fibrelor are două mari implicații potențiale: protecția împotriva bolilor degenerative și transmiterea semnalelor cuantice în creier.

Bolile degenerative ale creierului, cum ar fi Alzheimer, au fost asociate cu grade ridicate de stres oxidativ - atunci când organismul poartă un număr mare de radicali liberi, care pot emite particule de lumină UV dăunătoare, de înaltă energie.

p>Triptofanul poate absorbi această lumină ultravioletă și o poate reemite la o energie mai scăzută, mai sigură. Și, după cum a constatat acest studiu, rețelele de triptofan foarte mari pot face acest lucru și mai eficient și mai robust datorită efectelor lor cuantice puternice.

„Această fotoprotecție se poate dovedi crucială în ameliorarea sau oprirea progresiei bolii degenerative”. spuse Kurian. „Sperăm că acest lucru va inspira o serie de noi experimente pentru a înțelege modul în care fotoprotecția îmbunătățită cuantic joacă un rol în patologiile complexe care prosperă în condiții extrem de oxidative.”

A doua implicație pentru supraradianța în creier are de făcut. cu modul în care neuronii transmit semnale. Modelul standard pentru semnalizarea neuronală implică ioni care se deplasează prin membrane de la un capăt la altul al neuronului, într-un proces chimic care durează câteva milisecunde pentru fiecare semnal. Dar cercetătorii în neuroștiință au devenit abia recent conștienți de faptul că aceasta nu poate fi întreaga poveste.

Superradianța creierului are loc în mai puțin de o picosecundă - o miliardime de milisecundă. Aceste rețele de triptofan ar putea funcționa ca fibre optice cuantice care permit creierului să prelucreze informații de sute de milioane de ori mai repede decât ar permite singure procesele chimice.

„Grupul Kurian și colegii ne-au îmbogățit înțelegerea fluxurilor de informații. în biologie la nivel cuantic”, a declarat Michael Levin, directorul Centrului Tufts pentru Regenerative and Developmental Biology, care nu a fost asociat cu lucrarea.

„Asemenea rețele optice cuantice sunt larg răspândite, nu numai în domeniul neuronal. sistemele, dar în general în întreaga rețea a vieții Proprietățile remarcabile ale acestei modalități de semnalizare și procesare a informațiilor ar putea fi extrem de relevante pentru biologia evolutivă, fizică și computațională.”

Partea teoretică a acestei lucrări a atras atenția cercetătorilor din tehnologia cuantică, deoarece supraviețuirea efectelor cuantice fragile într-un mediu „dezordonat” este de mare interes pentru cei care doresc să facă tehnologia informației cuantice mai rezistentă. Kurian spune că a avut conversații cu câțiva cercetători în domeniul tehnologiei cuantice care au fost surprinși să găsească o astfel de conexiune în științele biologice.

„Aceste noi rezultate vor fi de interes pentru marea comunitate de cercetători în sisteme cuantice deschise și calcul, deoarece metodele teoretice utilizate în acest studiu sunt utilizate pe scară largă în acele domenii pentru a înțelege rețelele cuantice complexe în medii zgomotoase”, a declarat profesorul Nicolò Defenu de la Institutul Federal de Tehnologie (ETH) Zurich din Elveția, un cercetător cuantic care nu a fost asociat. cu lucrarea.

„Este cu adevărat intrigant să vezi o legătură vitală între calculul cuantic și sistemele vii.”

Lucrarea a atras, de asemenea, atenția fizicianului cuantic Marlan Scully, un pionier al laserului. în domeniul opticii cuantice și unul dintre experții de top în superradianță.

„Superradianța cu un singur foton promite să ofere noi instrumente pentru stocarea informațiilor cuantice, iar această lucrare își prezintă efectele într-un context total nou și diferit. ”, a spus Scully. „Cu siguranță vom examina îndeaproape implicațiile pentru efectele cuantice în sistemele vii în anii următori.”

(Fluierul)